Tous les organismes sont constitués de cellules

– La cellule est l’entité la plus simple de la matière qui peut vivre ( se reproduire)

– La structure cellulaire est corrélée à la fonction cellulaire

– Toutes les cellules sont liées entre elles

Les virus ne sont pas considérés comme des cellules parce que leur survie dépend d’autres organismes

Comment pouvons-nous étudier les cellules?

Normalement, les cellules sont trop petits pour être vus à l’œil nu, nous devons utiliser des microscopes et d’autres techniques telles que la biochimie pour les étudier.

Microscope optique: le meilleur grossissement de 1/1000

La qualité de l’image dépend de trois éléments :

1) l’agrandissement: le taux de la taille de l’image de l’objet à sa taille réelle

2) la résolution: la clarté de l’image (la taille minimale visible)

3) le contraste

 

La microscopie électronique:

Deux types de microscopes électroniques sont utilisés pour étudier les structures subcellulaires :

1) Les microscopes électroniques à balayage : concentration d’un faisceau d’électrons qui aboutissant à la surface d’un échantillon.

2) microscopes électroniques à transmission: Focalisent un faisceau d’électrons à travers un échantillon (TEMS), ce type de microscope électronique est utilisé pour étudier la structure interne des cellules.

 

La biochimie

– Le fractionnement cellulaire sépare les principaux organites de la cellule et permet aux scientifiques de déterminer les fonctions des organites

– L’ultra centrifugeuse : fractionne les éléments constitutifs de la cellule

La biochimie et la cytologie permettent de corréler la fonction des cellules à leur structure

Les procaryotes et eucaryotes

Les composants basiques de toutes les cellules :

– la membrane plasmatique

– le cytosol

– les chromosomes (portent des gènes)

– les ribosomes (fabriquent des protéines)

L’unité structurelle et fonctionnelle de chaque organisme est l’un des deux types de cellules: procaryote ou eucaryote.

Seuls les organismes telles que les bactéries et les archées sont de organismes procaryotes. Les champignons, les animaux et les plantes sont quant à eux des organismes eucaryotes.

Les cellules procaryotes :

– Pas de noyau
– L’ADN constitue une entité indépendante nommée nucléoïde
– les organites ne sont pas limités par des membranes
– Le cytoplasme est délimité par la membrane plasmique

 

Les cellules eucaryotes

– L’ADN est un noyau délimité par une enveloppe nucléaire
– Le cytoplasme se situe dans la région entre la membrane plasmique et le noyau
– Les cellules eucaryotes sont généralement beaucoup plus grandes que les cellules procaryotes

Dans le centre du noyau, il y a une région concentrée appelé le nucléole et c’est là que l’ARN ribosomal est formée et traitée; c’est aussi l’endroit où il y a formation d’autres complexes protéiques qui seront ensuite assemblés dans le noyau.

Dans le cytoplasme, on retrouve le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, les mitochondries ainsi que le centriole qui est la région où a lieu la division cellulaire et nous avons aussi les lysosomes, les péroxysomes et à l’extérieur de la cellule nous pouvons voir des microvillosités de la cellule.

Le noyau

– Le noyau contient la majeure partie des gènes de la cellule.
– Une enveloppe entoure le noyau nucléaire, le séparant ainsi du cytoplasme
– La membrane nucléaire est un double membrane dont chacune est constituée d’un double couche lipidique.
– Les pores membranaires régulent l’entrée et la sortie des molécules du noyau.
– La forme du noyau est maintenue par la lamina nucléaire qui se compose de protéines.

Les ribosomes: usines à protéines

– Les ribosomes sont des particules constitués d’ ARN et de protéines ribosomaux.

– Les ribosomes effectuent la synthèse des protéines dans deux lieux:

dans le cytosol pour (ribosomes libres)

à l’extérieur du réticulum endoplasmique rattaché à la membrane nucléaire (ribosomes membranaires)

Le système endomembranaire régule le trafic des protéines et exécute des fonctions de métabolisme dans la cellule.

Le ribosome est composé d’une grande sous-unité et d’une petite sous-unité. Entre ces deux unités passe l’ARNm qui va être traduite en protéine sortant du ribosome.

Le système endomembranaire régule ainsi le trafic des protéines et exécute la fonction métabolique de la cellule.
Les composants du système endomembranaire sont :
– l’enveloppe nucléaire
– l’endoréticulum plasmatique
– l’appareil de Golgi
– les lysosomes
– les vacuoles
– la membrane plasmique
Ces composants peuvent être des entités indépendantes communiquant via le transfert des vésicules.

Le réticulum endoplasmique

– Le réticulum endoplasmique (RE) représente plus de la moitié de la membrane totale dans la plupart des cellules eucaryotes.
– La membrane du RE est en continuité avec l’enveloppe nucléaire.
– Il existe deux types de RE :
les RE lisse qui n’ont pas de ribosomes
les RE rugueux avec des ribosomes à leur surface

Le RE lisse:
– synthétise les lipides.
– métabolise les glucides
– détoxifie
– emmagasine le calcium

Le RE rugueux:
– a des ribosomes qui secrètent des glycoprotéines (protéines covalente liés aux hydrates de carbone)
– distribue des vésicules de transport de protéines entourées par une membrane
– est une usine de synthèse de la cellule

L’appareil de Golgi

– est constitué de membranes aplaties sacs appelés citernes
– modifie les produits de la Réticulum endoplasmique
– fabrique des macromolécules
– trie et stocke les molécules dans des vésicules de transport

Lysosomes: compartiments digestifs

– Certains types de cellules peuvent engloutir d’autres cellules par phagocytose et former une vacuole alimentaire
– Le lysosome fusionne alors avec la vacuole alimentaire et digère les molécules.
– Les lysosomes utilisent des enzymes pour recycler les cellules et les macromolécules : un processus appelé autophagie.

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Les mitochondries et les chloroplastes
– Les mitochondries sont les sites de la respiration cellulaire : un des processus métabolique qui aboutit à la formation d’ ATP.
– Les chloroplastes trouvés dans les plantes et les algues sont les sites de la photosynthèse.
– Les peroxysomes sont des organites détoxifiantes

Les mitochondries et les chloroplastes

– Ne font pas partie du système de endomembrane
– Ont une double membrane
– Ont des protéines produites par les ribosomes libres.
– Contiennent leur propre ADN

Les mitochondries: conversion de l’énergie chimique
– Les mitochondries sont dans presque toutes les cellules eucaryotes
– Elles ont une membrane extérieure lisse et une membrane interne pliée en crêtes.
– La membrane interne crée deux compartiments: l’espace de la membrane inter membranaire et la matrice mitochondriale.
– Certaines étapes métaboliques de la respiration cellulaire sont catalysées dans la matrice mitochondriale
– Les crêtes présentent une grande surface pour des enzymes qui synthétisent l’ATP
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Chloroplastes: capture de l’énergie lumineuse
– Le chloroplaste est un membre d’une famille d’organites végétaux appelés plastes
– Les chloroplastes contiennent le pigment chlorophylle vert, ainsi que des enzymes et d’autres molécules qui fonctionnent de la photosynthèse

– Les chloroplastes se situent dans les feuilles de plantes vertes et d’algues.

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Peroxysomes: oxydation

– Les peroxysomes sont des compartiments métaboliques liés par une seule membrane
– Les peroxysomes produisent du peroxyde d’hydrogène et le convertissent en eau.
– L’oxygène est utilisé pour briser les différents types de molécules

Nous allons étudier la structure des membranes biologiques: le modèle de la mosaïque fluide, les protéines membranaires, l’osmose, le transport actif .
La membrane plasmique : constitue la limite séparant la cellule vivante de son environnement et présente une perméabilité sélective permettant à certaines substances de traverser plus facilement que d’autres.
Les membranes cellulaires sont des mosaïques de fluide de lipides et de protéines :
– Les phospholipides sont les lipide les plus abondants dans la membrane plasmique
– Les phospholipides sont des molécules amphiphiles, contenant des régions hydrophobes et   hydrophiles.
– Le modèle de la mosaïque fluide indique qu’une membrane est une structure fluide avec une «mosaïque» de diverses protéines noyées dans la masse.

Techniques de fracture/ congélation:

– Cette technique étudie  le modèle de la mosaïque du fluide de la membrane plasmatique.

– C’est une technique de préparation spécialisée qui divise la membrane tout le long de la bicouche de phospholipides.

La fluidité des membranes :

– Les phospholipides de la membrane plasmatique peuvent se déplacer dans la bicouche

– La plupart des lipides et des protéines dérivent latéralement.

– les molécules basculent rarement transversalement à travers la membrane

Les protéines membranaires et leurs fonctions:

– Les protéines périphériques sont liées à la surface de la membrane

– Les protéines intégrales pénètrent dans le noyau hydrophobe

– Les protéines intégrales qui traversent la membrane sont appelés protéines  transmembranaires.

– Les régions hydrophobes des protéines intégrales constituent un ou plusieurs tronçons

Six fonctions majeures des protéines membranaires:

– transport

– activité enzymatique

– transduction de signal

– reconnaissance cellule-cellule

– joints intercellulaires

– attachement au cytosquelette et à la matrice extracellulaire

Synthèse et partialité des membranes :

– Les membranes ont une face intérieure distincte de la face externe

– La distribution asymétrique des protéines, lipides et glucides associés dans la membrane plasmatique est déterminée lorsque la membrane est construite par le RE et l’appareil de Golgi.

La structure de la membrane et sa perméabilité sélective :

– Une cellule doit échanger des molécules avec son environnement, processus commandé par la membrane plasmique

– Les membranes plasmatiques sont sélectivement perméables et régulent le trafic moléculaire de la cellule

– Des molécules hydrophobes (non polaires tels que des hydrocarbures), peuvent se dissoudre dans la bicouche lipidique et passent rapidement à travers la membrane

– Les molécules polaires tels que les sucres ne traversent pas facilement la membrane

Transport passif: diffusion à travers une membrane sans investissement d’énergie

1) La diffusion est le mouvement des molécules dans l’espace disponible de manière uniforme.

2) Bien que chaque molécule se déplace au hasard, la diffusion d’une population de molécules présente ainsi un mouvement dans un sens

3) A l’équilibre dynamique, de nombreuses molécules traversent d’une manière transversale dans l’autre sens.

Effets de l’osmose sur l’équilibre de l’eau

1) L’osmose est la diffusion de l’eau à travers une membrane sélectivement perméable.

2) L’eau diffuse à travers une membrane de la région de faible concentration en solutés vers la région plus concentrée en solutés.

Le bilan hydrique des cellules sans mur. La tonicité est la capacité d’une solution pour provoquer une cellule à gagner ou à perdre de l’eau.

La solution isotonique: la concentration du soluté est la même entre à l’intérieur et l’extérieur de la cellule, il n’y a donc aucun mouvement net de l’eau à travers la membrane plasmique

Solution hypertonique: la concentration en solutés est plus élevée à l’extérieur de la cellule qu’à l’intérieur; la cellule perd de l’eau

Solution hypotonique: la concentration en solutés est inférieur à celle à l’intérieur de la cellule; gain en eau pour la cellule.

Protéines de transport:

Les protéines de transport permettent le passage de substances hydrophiles à travers la membrane.

Des protéines appelées canaux ont une chaîne hydrophile que certaines molécules ou des ions peuvent utiliser comme un tunnel.

Protéines de canaux appelés Aquaporines facilitent le passage de l’eau.

Les protéines de transport de la diffusion facilitée accélérent le mouvement passif de molécules à travers la membrane plasmique.

Protéines de la Manche fournissent des corridors qui permettent une molécule ou ion spécifique de traverser la membrane

Les aquaporines facilitent la diffusion de l’eau, ce sont des canaux ioniques qui s’ouvrent ou se ferment en réponse à un stimulus (canaux fermée).

Le transport actif utilise l’énergie pour déplacer les solutés contre leurs gradients: Faciliter la diffusion est toujours passive cependant ces protéines de transport peuvent déplacer les solutés contre leur gradient de concentration. Le transport actif déplace les substances contre leur gradient de concentration. Ce transport nécessite de l’énergie généralement sous la forme d’ATP et est effectué par des protéines spécifiques incorporés dans les membranes.

Les pompes à ions maintiennent le potentiel de membrane: le potentiel de membrane est la différence de tension à travers une membrane. La différence de tension est créée par les différences dans les distributions des ions positifs et négatifs.

Deux forces combinées collectivement appelées le gradient électrochimique, entraînent la diffusion des ions à travers une membrane: une force chimique (fonction du gradient de l’ion) et une force électrique (l’effet du potentiel de membrane sur le mouvement de l’ion). Une pompe électrogénique est une protéine de transport qui produit une tension à travers une pompe sodium/potassium qui est la principale pompe électro génique chez les eucaryotes. La principale pompe électrogénique des plantes, des champignons et des bactéries est une pompe à protons.

 

Le transport en vrac par exocytose et endocytose

Les petites molécules et l’eau entrent ou sortent de la cellule à travers la bicouche lipidique ou par des protéines de transport.

Les grosses molécules, telles que les polysaccharides et les protéines, traversent la membrane en vrac par l’intermédiaire de vésicules.

Le transport en vrac nécessite de l’énergie. Dans l’exocytose, des vésicules de transport migrent vers la membrane, fusionnent avec elle et libèrent leur contenu.

Dans l’endocytose la cellule prend des macromolécules pour former des vésicules de la membrane plasmique.

La division cellulaire est étroitement régulée (cancer est décrit comme une croissance cellulaire non régulée).

En ce qui concerne la division cellulaire, il ya une machine qui est un état transitoire et ce processus est renouvelé à chaque cycle cellulaire.
Les éléments clés de ce processus sont:
1) le fuseau mitotique : Il est constitué de microtubules ou cytosquelette, de centrioles, de kinétochores et anneau contractile.
2) et ce processus est commandé par un système de commande qui intègre les signaux de croissance et de division.
Ces signaux sont les suivants:
a) les kinases de la division cellulaire (CDK)
b) Chaque kinase a une activité qui est contrôlée par une cycline (sous-unité régulatrice de CDK) ;

c) et  l’activité de ces deux systèmes est commandé par un troisième système régulé par un mécanisme de destruction.

La division cellulaire est régulée:

Les cellules se divisent en 8 minutes mais les cellules typiques (par exemple les cellules du foie) se divise 1X/an, et les cellules de l’intestin se divisent 1X/jour.

1) La division cellulaire nécessite la répartition des organites :

A) Les organites tels que les ribosomes peroxysomes (1/2 va dans un côté et 1/2 de l’autre côté)

B) Les mitochondries ou chloroplastes: ce sont des anciennes bactéries capturées qui conservent leur propre mécanisme de division.

C) L’appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique deviennent de petites vésicules pendant le mitose, puis après la division cellulaire, ils se rassemblent ensemble pour reformer l’appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique

D) Le centrosome = centriole est encore mal comprise chez les cellules eucaryotes.

Le centriole possède son propre modèle de réplication et nous avons besoin d’un centriole pour former un nouveau centriole (centriole joue un rôle crucial dans la formation du fuseau mitotique afin de permettre à l’ADN de réaliser sa réplication.

G1 et G0: G1 est la phase dans laquelle la cellule se demande « suis-je assez grand pour me diviser » y a-t-il assez de nourriture?

Il ya aussi  + ou – des facteurs d’autres cellules ou de l’environnements. Et si la décision finale n’est pas de diviser la cellule, celle-ci reste à la phase G0 où il n’ya pas de division.

Phase S: la phase dans laquelle la réplication de l’ADN nucléaire et la réplication de l’ADN mitochondrial se produit.G2: une autre phase de prise de décision est G2: permet à la cellule de vérifier si chaque génome a été reproduit ou non. Si ce n’est pas le cas, il y a  un mécanisme qui demande à la cellule d’arrêter en G2 jusqu’à ce que le dernier nucléotide est reproduit. La phase G2 sera prolongé jusqu’à ce que la cellule soit prête a aller à en phase M. Un autre point de contrôle consiste à voir si chaque kinetochore a établi la fixation du fuseau bipolaire.

M: et enfin la mitose se produit:

Les chromosomes sont constitués d’une molécule d’ADN et les protéines associées, et il ne faut pas sous-estimer l’importance des protéines et de la masse des protéines associées à l’ADN (la masse est supérieure à la masse de l’ADN).Il ya des sites spécifiques sur les chromosomes et le plus important est le centromère. Le centromère est le point où le chromosome s’attache au fuseau mitotique pour permettre la ségrégation des chromosomes qui est c’est sa seule fonction; mais à ce point, il est y a une structure protéique très complète (cinquante protéines différentes appelées cordon de connexion. Ainsi, le cordon de connexion est la structure qui rassemble à ce stade les protéines de ségrégation).

Nous savons qu’il ya des origines de réplication de l’ADN multiples dans les cellules eucaryotes. A l’extrémité des chromosomes, il existe des structures spécialisées appelées télomères..

L’enzyme télomérase intervient dans la réplication des télomères.Les chromosomes ont beaucoup de gènes regroupées sur chaque chromosome.

Comment 22 250 gènes donnent des protéines ainsi que des ARN?

Ploïdie = nombre de jeux de chromosomes

= Organismes haploïdes qui ont un jeu de chromosomes

= Organismes diploïdes qui ont deux jeux de chromosomes

Triploïdes = organisme qui ont trois jeux de chromosomes

Tétraploïde = organisme qui ont quatre jeux de chromosomes

Hexaploïde = organisme qui ont six jeux de chromosomes

Octaploïdes = organisme qui ont huit jeux de chromosomes

La lettre N est utilisée pour indiquer le nombre de chromosomes par cellule haploïde.

Donc, pour les pommes de terre  N = 23 et pour nous qui sommes diploïdse, donc nous avons deux paires de 23 chromosomes.

La valeur de C fait référence au contact de l’ADN (quantité d’ADN dans la cellule)

N est une des fonctions discontinues mais la valeur C est la fonction continue.

Ainsi, la quantité d’ADN dans un nucléons diploïdes est C2 à G1 et la quantité de C dans G2 = 4C

Mais en G2 le nombre de chromosomes ne doit pas changer.

Comment mesurer la teneur en ADN?

Nous pouvons le faire grâce à un appareil incroyable

FACS = Cytométrie en flux

Le colorant fluorescent qui fixe l’ADN mais il colore l’ADN proportionnellement à la quantité.

I Polymorphisme génique, polymorphisme de l’espèce

1- Polymorphisme des gènes

Le génotype d’un individu est caractérisé par l’ensemble de ses gènes. Chaque gène est situé à un endroit précis sur le chromosome, le locus. La plupart des gènes sont polymorphes autrement dit ils existent sous plusieurs formes ou allèles. Sur une paire de chromosomes homologues, un gène existe sous forme de deux allèles. Si les deux allèles sont identiques, on parle d’homozygotie alors que si les deux allèles sont différents, il s’agit d’hétérozygotie.

2- Polymorphisme des individus

Le phénotype est l’expression des gènes. Il existe des allèles récessifs qui ne vont s’exprimer qu’à l’état homozygote. En revanche les allèles dominants s’exprimeront aussi bien à l’état homozygote qu’hétérozygote. Il arrive que deux allèles s’expriment conjointement dans le phénotype comme par exemple le groupe sanguin AB, ils sont alors dits co-dominants.

Les individus appartenant à la même espèce possèdent une organisation commune de leur génome mais ce dernier présente une grande variabilité d’un individu à l’autre responsable du polymorphisme interindividuelle.

3- Polymorphisme de l’espèce

Au sein d’une population donnée, les allèles des gènes ont des fréquences différentes. Un gène est dit polymorphe si au moins deux de ses allèles sont présents dans la population avec une fréquence supérieure à 1%. On estime qu’environ un tiers des gènes de l’espèce humaine est polymorphe. La fréquence respective des différents allèles, peut varier d’une population à l’autre au sein d’une même espèce.

Si on prend l’exemple du groupe sanguin, la fréquence des gènes A, B et O vont varier entre les espagnols, les hindous ou les amérindiens infirmant ainsi la notion de race et montrant ainsi la notion de polymorphisme des populations et de l’espèce.

II Mutations et innovation génétique

1- Les mutations

Une mutation est une brusque modification d’un fragment de séquence de nucléotides de l’ADN constitutif d’un gène. La plupart des mutations sont dues à des erreurs lors de la réplication de l’ADN ou à des remaniements chromosomiques. Leur fréquence est donc faible  (de l’ordre de 10^-6). Les mutations sont des phénomènes aléatoires. Cependant leur fréquence peut être augmentée par certains facteurs environnementaux appelés agents mutagènes (substances chimiques, Rayons UV…)

Les mutations peuvent être dites:

– ponctuelles: changement d’un seul nucléotide

– étendues : modification de plusieurs nucléotides

On en distingue plusieurs types :

– la substitution : remplacement d’un ou de quelques nucléotides par d’autres

– la délétion : perte d’un ou plusieurs nucléotides au sein d’une séquence

– l’addition : intercalation d’un ou plusieurs nucléotides au sein d’une séquence

2- Conséquences des mutations

Une modification de la séquence de nucléotides peut modifier la séquence d’acides aminés de la protéine modifiant ainsi le phénotype.

Les conséquences des mutations sur le phénotype sont très variables.

a- Cas des mutations par substitution

Dans certains cas, la modification d’un codon suite à une substitution ne modifie pas l’acide aminé à cause de la redondance du code génétique. On dit que la mutation est silencieuse et le phénotype ne sera pas modifié. Dans d’autres cas, la modification amène aux changements d’un ou plusieurs acides aminés. On parle de mutations faux sens. Elles peuvent aboutir à une perte ou à une diminution de fonctionnalité de la protéine synthétisée. Dans d’autres cas encore, le changement fait intervenir un codon stop ou codon non-sens qui entraîne l’arrêt prématuré de la synthèse polypeptidique.

b- Cas des mutations par délétion ou addition

Lors d’une délétion ou d’une addition, le cadre de lecture étant décalé, les modifications de la séquence d’acides aminés de la protéine sont souvent très importantes. Si la protéine est très raccourcie, ou si la mutation modifie une partie de la protéine importante pour sa fonction, la protéine ainsi  formée  est rarement fonctionnelle.

Une mutation ne sera transmise que si elle affecte les cellules sexuelles ou cellules germinales.
En revanche lorsqu’une mutation s’effectue sur les cellules somatiques (tout sauf les cellules germinales), la mutation n’est pas transmise à la descendance.

III Les familles multigéniques et l’innovation génétique

1- Les familles multigéniques

Les groupes de protéines synthétisées au sein d’une même espèce ont une configuration moléculaire très proche, ce qui montre qu’elles dépendent de gènes avec de grandes similitudes. L’analyse de ces gènes démontre que ces derniers occupent des loci différents sur un même chromosome ou sur des paires non homologues. Mais leurs séquences très similaires permettent de les regrouper en une famille multigénique.

2- L’innovation génétique

Les familles de gènes sont issues d’une ou plusieurs duplications de gène ancestral. Les copies créées peuvent soit rester sur le même chromosome soit migrer vers un autre chromosome: on parle alors de transposition.

Lorsque cette duplication n’est pas suivie de mutations, l’innovation génétique n’ est que quantitative

Mais lorsque les mutations suivent les duplications, l’innovation génétique qui en résulte peut avoir une portée beaucoup plus vaste sur les phénotypes. Si le nombre de mutations est relativement faible, les différents gènes obtenus coderont pour des protéines différents mais avec les mêmes fonction. En revanche si le nombre de mutations est important il en résulte des protéines avec des fonctions également différentes.

Les familles multigéniques proviendraient donc d’un gène ancestral commun qui aurait subi des duplications, transpositions et mutations au cours du temps. C’est l’ensemble de ces trois mécanismes qui aurait entraîné l’innovation génétique.