La cellule : organisation generale et diversite cellulaire








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LA CELLULE : ORGANISATION GENERALE ET DIVERSITE CELLULAIRE

Semestre 1

Biologie cellulaire



  1. Théorie de l’évolution 19ème siècle




  • Charles Darwin : l’hypothèse de l’origine des espèces et de la diversité du vivant

  • Alfred Wallace : La sélection naturelle

  • Gregor Mandel : L’existence des gènes




  1. Théorie cellulaire




  1. Historique




  • 1er microscope optique (17ème siècle) : Anton Van Leeuwenhoek

  • Microscope de Robert Hooke (1665) : Cavité dans le liège = cellule

  • Observation de botanistes et zoologues : Théorie cellulaire

  • Schleiden et Schwann (1837-9) : « Tous les organismes sont composés d’une ou plusieurs cellules ; la cellule est l’unit structurale de la vie »

  • Rudolf Virchow (1855) : « Les cellules ne provenir que de la division d’une cellule préexistante » puis en 1858 : « Chaque animal est formé de la somme d’unité vitales, les cellules, chacune d’entre elles détenant les caractéristiques de la vie… »

  • Louis Pasteur (1861) : Doctrine de la non spontanéité des germes

  • ADN dans les cellules (1924) :

  • Procaryotes : l’ADN n’est pas entouré par un système membranaire

  • Eucaryotes : l’ADN est entouré par un système membranaire




  1. Unité cellulaire : toutes les cellules…




  • Sont limitées par une membrane plasmique

  • Contiennent de l’ADN portant les informations génétiques (exception : les hématies…)

  • Synthétisent des protéines et ont besoin d’énergie et les cellules ne se forment pas spontanément mais après division cellulaire




  1. Organisation générale de la cellule




  1. Les 5 règnes




  • Cellules procaryotes : Règne microbien

(Eubactéries et Archéobactéries)

Capsule, paroi cellulaire, flagelles, inclusions cytoplasmiques, mode de division particulier


  • Cellules eucaryotes : 4 règnes

  • Animal : cellule animale

  • Végétal : cellule végétale

  • Champignons : Levures et champignons (Parasites, saprophytes et symbiotiques)

  • Protistes : Protozoaires

Noyau et cytoplasme (cytosol + organite)


Organisme

Procaryote

Bactéries, cyanobactéries


Eucaryote

Protistes, champignons, végétaux et animaux

Taille de la cellule

1 à 10 µm de long

5 à 100 µm de long

Métabolisme

Anaérobie ou aérobie

Aérobie (Anaérobie)

Organites

Pas d’organite

Noyau, mitochondries, chloroplastes, réticulum endoplasmique, Golgi…

ADN

ADN cytoplasmique circulaire

ADN très long, contenant de nombreuses régions codantes, entouré par l’enveloppe nucléaire

ARN et Protéines

ARN et protéines synthétisés dans le même compartiment

ARN synthétisé dans le noyau, protéines synthétisées dans le cytosol

Cytoplasme

Pas de cytosquelette, de flux membranaire, d’endocytose ou d’exocytose

Cytosquelette composé de filaments protéiques, flux membranaire, endocytose et exocytose

Division cellulaire

Chromosome séparés par leur attache sur la membrane plasmique

Chromosomes séparés par le fuseau mitotique

Organisation cellulaire

Unicellulaire

Principalement pluricellulaire, avec différenciation cellulaire



  1. Les dimensions cellulaires


Rapport : Surface (S)/Volume (V)

S = 4πr² et V=4/3πr^3


  1. Evolution phylogénique


Evolution des espèces ; phylogénie d’une espèce, d’une famille… (Arbre phylogénique)

Ne pas confondre avec l’évolution ontogénique : ontogénèse et développement de l’individu


  1. La cellule ancestrale




  • Procaryote ancestral et eucaryote ancestral

  • Vers l’unique ancêtre commun aux procaryotes et eucaryotes : le Progénote

  • Dans l’échelle temporelle : 3,5 milliards d’années

  • Formation spontanée de molécules organiques : atmosphère réductrice favorable en présence d’une source d’énergie (Soleil, décharges électrique)

  • Le « monde à ARN » : ARN auto-réplicatif dans une structure membraneuse composée de phospholipides

  • Source d’énergie métabolique :

  • Glycolyse en absence d’O2 = Anaérobiose

C6H12O6 → 2C3H603 + 2ATP

Glucose → Acide lactique

  • Photosynthèse (UV) : 6CO2 → C6H12O6 + 6O2

→ Organismes autotrophes (Chlorophylliens)

  • Respiration (Métabolisme oxydant) en présence d’O2

= Anaérobiose : C6H12O6 → 6H20 + 38 ATP

→ Organisme hétérotrophes (Chaines respiratoire, mitochondries)


  1. Diversité cellulaire

Cytologie et Histologie (Tissus spécialisés des vertébrés)


  • Cellules épithéliales : Epithéliums et milieu extérieur (Polarité cellulaire)

  • Cellules nerveuses : Tissus nerveux (Potentiel d’action)

  • Cellules musculaires : Muscles striés et lisses

  • Cellules conjonctives : Tissus conjonctifs

  • Cellules sanguine : Globules rouges et blancs

  • Cellules de l’immunité : Lymphocytes et monocytes/macrophages

  • Cellules de la reproduction : Gamètes/glandes reproductrices


→ Dissection et microdissection

→ Pathologies humaines : Cytopathologie, histopathologie, pathologie moléculaire

→ Cibles moléculaires et cellulaires des médicaments

COURS II : LES CONSTITUANTS DE LA CELLULE

  1. Les atomes du vivant


Chimie organique et minérale : C, N, O, H


  1. Les biomolécules


Associations d’atomes du vivant = Biochimie

  1. Précurseurs environnementaux :

  • CO2,

  • H2O

  • O2

  • N2

  1. Intermédiaires métaboliques (métabolisme intermédiaire) :

  • Pyruvate : CH3-CO-COO-

  • Acétate : CH3-COO-

  1. Précurseurs primordiaux (ou fondamentaux):

  • Acide aminée, oses, acides gras glycérol

  • Purines et pyrimidines (Bases azotées)

  1. Niveau macromoléculaire :

  • Protéines

  • Acides nucléiques

  • Polyosides

  • Lipides complexes

  1. Organisation supra-moléculaire :

Assemblages de biomolécules et macromolécules

→ Organites subcellulaires = Biologie cellulaire


  1. Masse moléculaire




  1. Unité de masse : Dalton (Da)

1 Da = 1/Na g = 1,66 x 10^-24

Avec Na = Nombre d’Avogadro (6.10^23)

Macromolécule si > 10.000 Da (10 kDa)


  1. Masse moléculaire relative (Mr)

Etalon de masse : 1/12 de Carbonne 12

Exemple : Protéine de 45 kDa ou Mr = 45.000


  1. Eau, électrolytes et gaz




  1. L’eau

« Solvant universel des organismes vivant et creuset des réactions biologiques »


  1. Structure électronique


Orbitale tétraédrique sp3

Asymétrie électronique = dipôle → polarité

O électronégatif → Solvatation, liaison hydrogène


  1. La liaison hydrogène


O accepteur et donneur de liaison H (2-3 kcal/mole)

Atomes colinéaires ou non

Les 3 états de l’eau :

  • Etat cristallin = Glace (Réseau tridimensionnel ¼)

  • Etat liquide = Eau (1/3,6 donc réseau instable)

  • Etat gazeux = Vapeur d’eau (O)

Vitesse d’échange (Spatiale et temporelle) : 10^-11s

Liaison O—N et N—N : Structure des macromolécules

  1. Propriétés de solvant 




  • Dissolution des sels Cristallisés et nombreux composés ioniques (Constante diélectrique élevée)

  • Solvatation des molécules organiques




  1. Ionisation de l’eau 


H2O ↔ H+ + OH- [H+] = 100nM = 10^-7 M

pH = - log [H+] = - log (10^-7) = 7

“Eau pure”, à 25°C, concentration molaire 55,5 M


  1. Les électrolytes




  1. Anions et cations : Dissolution des sels minéraux




  • Cations alcalins : Na+ et K+

  • Cations alcalino-terreux : Ca2+ et Mg2+

  • Cations métalliques : Fe2+/3+, Cu2+, Zn2+, Mn2+, Co2+ « Oligo-éléments »

  • Anion Halogénés : Cl-, I-, F-, Br-

  • Autres anions: HCO3-/ CO32-, H2PO4-/HPO4-, SO4-

  • Sels minéraux : NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2, Nal, NaHCO3,Na2CO3, NAH2PO4, NAHPO4, sels de Ca, Mg, Fe, Cu…

Ex: “Hydroxyapatite” Ca3(PO4)2 → Os et dents

  • Anions et cations organiques : Biomolécules ionisables (Acides aminés, acide gras, protéines, acides nucléiques…)




  1. Produit ionique (Pl) et pression osmotique (PO)




  • Pl = [A-] x [C+]

Force ionique (f.i) = ½ m.v²

Avec v = valence électronique

m = masse molaire

  • PO = C/m x RT

Avec C = concentration

T = température absolue (°K)

R = constante des gaz parfaits

PO = intracellulaire


  1. Les gaz


Dissous dans l’eau et les solutions aqueuses électrolytiques : dioxygène (02), gaz carbonique (CO2), gaz toxiques (O3, CO …)

Loi de Henry : [Gaz] = a.pGaz (pO2, pCO2)

P = pression partielle, a = coefficient d’activité du gaz

  • Diffusibles à travers les structures cellulaires (membranes…)

  • Echangeables avec l’air (physiologie de la respiration




  1. Les précurseurs fondamentaux




  1. Les acides aminés (AA)




  1. Structure et propriétés


α-aminés H2N-CH-COOH 20 AA fondamentaux (protéines)

l C α asymétrique

R

R = Chaine carbonée, hydroxylée (alcool), soufrée (thiol), acide ou basique, hétérocycle, cycle aromatique…

Propriétés : apolaire/polaire, ionisable/non ionisable…

Autres AA : β-aminés, γ-aminés, α-aminé non protéiques



  1. Polymères d’Acide α-aminé


Polypeptides et protéines


  1. Voies de biosynthèse et de catabolisme des acides aminés


Peptides et protéines : Biochimie métabolique


  1. Les purines et pyrimidines




  1. Structure et propriétés


Hétérocycles azotés (A, T, C, G, U), ionisables et polaires (liaison H), soluble dans l’eau


  1. Incorporation dans les biomolécules liées à l’énergie cellulaire


Nucléotides énergétiques :

  • Adénosines phosphorylées : AMP, ADP ; ATP et autres nucléosides-triphosphates : GTP, UTP

  • Co-facteur enzymatiques :

  • Flaviniques : FMD, FAD

  • Nicotines : NAD, NADP




  1. Polymères de nucléotides


ADN et ARN synthétisés au cours de la réplication (ADN) et de la transcription (ARN)

Gène de classe II → ARNm codant pour la synthèse des protéines (Traduction) : Biologie moléculaire


  1. Voie de biosynthèse et de catabolisme des purines et pyrimidines


Biochimie métabolique


  1. Les glucides fondamentaux




  1. Structure et propriété




  • Oses simples en C5 ou C6 : Aldéhydes ou cétones, nombreux C asymétriques

  • Dérivés d’oses, osamines, désoxyoses (ADN), acide sialiques

  • Osides et polyosides : Liaison O-osidyle

  • Solubles dans l’eau




  1. Polymères d’oses


Polyosides, formes de stockage de l’énergie (Amidon, glycogène…)


  1. Vois de biosynthèse et de catabolisme des oses et polyosides


Biochimie métabolique, biologie végétale


  1. Les acides gras et autre lipides simples 




  1. Les acides gras (AcG)


R-(CH2)n-COOH n ≥ 6 Apolaire

C16, C18, C20 saturés ou insaturés (1 à 4 doublets liaisons)


  1. Les triglycérides (TG)


Glycérides : Esters de glycérol et d’acides gras (Apolaires)

Triglycérides : Formes de réserve énergétique (Tissu gras)


  1. Les phospholipides


Esters phosphoriques du glycérol et d’acide(s) gras : Glycérophospholipides

Autres esters phosphoriques : Sphingolipides

Amphiphiles : micelles détergentes et auto-organisation en membranes avec interactions lipides/protéines.


  1. Le cholestérol


Dérivé isoprénique, alcool (polaire) mais molécule à 27 C (apolaire) ; rôles dans la stabilité et rigidité des membranes ; estérifiable par acide gras (Stéride) ; précurseur de vitamines et hormones (Physiologie animale)


  1. Biosynthèse et catabolisme des AcG et des lipides simples


Biochimie métabolique


  1. Les macromolécules



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