EXPLORATION DE LA CELLULE

Du plus grand…

…au plus petit !

Taille des cellules Si une cellule animale avait la taille d'un immeuble de six logements 1 µm = 1/1000 mm 1 nm = 1/1000 µm Virus (50 à 100 nm) Protéine ~ 3 nm Bactérie (2 µm)

Les méthodes d'étude Les microscopies Le fractionnement cellulaire Les microscopes photoniques Les microscopes électroniques Le fractionnement cellulaire

Histoire de la microscopie

Le premier microscope Mince tranche de liège Robert Hooke 1665

Van Leeuwenhoek (1632-1723)

Les microscopes optiques actuels

Microscope confocal

Les microscopes électroniques

Zoom sur une épingle X 50

X 1250

X 6000

X 30 000

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Généralités Cellules procaryotes et eucaryotes La taille des cellules La compartimentation

Tous les êtres vivants sont faits de cellules (au moins une cellule). La théorie cellulaire Tous les êtres vivants sont faits de cellules (au moins une cellule). La cellule est l'unité de base du vivant. Toute cellule provient d'une autre cellule Un être humain contient quelque chose comme 10 000 milliards de cellules (1013). Chacune de ces cellules est un être vivant. Ces cellules ne sont différenciées qu'en seulement 200 types (sang, foie, os...). Ces cellules ont une durée de vie limitée. Notre peau est entièrement changée en 1 semaine. L'ensemble de nos globules rouges est, lui, renouvelé en quatre mois.

1. Cellules procaryotes et eucaryotes 1 à 3 µm en général pas d'organites présents (sauf ribosomes) matériel génétique non enfermé dans un noyau délimité Cellules eucaryotes: 10 à 100 µm en général (20 µm en moyenne) Nombreux organites internes faits de membranes. Matériel génétique délimité par une membrane = noyau

Cellules procaryotes : 1 à 10 µm Bactéries d'environ 1 à 2 µm de diamètre vues au microscope optique (X1000) Plus petits procaryotes : ~ 0,1 à 1 µm Cellules eucaryotes : 10 à 100 µm Plus petite cellule humaine = spermatozoïde (~ 3 µm) Plus grande cellule humaine = ovule (~ 100 µm) Les cellules d'une puce sont-elles plus petites que celles d'une baleine bleue?

2. Pourquoi les cellules sont-elles si petites ?? La taille des cellules est limitée par leur rapport surface / volume Si on augmente le diamètre d'une cellule: La surface augmente au carré Le volume augmente au cube Plus la taille augmente, plus le volume devient important par rapport à la surface. Le rapport surface / volume diminue.

Un cube de 1 m de côté: Surface = 6 x 1 m2 = 6 m2 Volume = 1 m3 Rapport surface / volume = 6 On augmente la taille du cube à 5 m de côté : Surface = 6 x (5x5) = 150 m2 Volume = 125 m3 Rapport surface / volume = 1,2

Un volume de 5x5x5 cubes de 1 m de côté: Surface = 6 m2 x 125 = 750 m2 Volume = 125 m3 Rapport surface / volume = 6 Les échanges entre la cellule et son milieu se font par la surface de la membrane cellulaire. Ces échanges sont proportionnels à la surface de la cellule.

3. La compartimentation Nécessité absolue de membranes internes, qui définissent des compartiments Cela permet de réaliser en même temps, dans la même cellule, des processus normalement incompatibles Corrélation entre structure et activité.

Structure générale d'une cellule animale

Structure générale d'une cellule végétale

Le cytoplasme Et des ORGANITES intra-cellulaires Matière semi-liquide : le cytosol Composition : 85% d'eau des glucides lipides protéines ARN… Et des ORGANITES intra-cellulaires

Le noyau

Le noyau Synthèse des ribosomes (10 000 par minute…) Nucléole

Le noyau Au moment de la division cellulaire, la chromatine s'organise en chromosomes

Le noyau L'ADN d'une petite bactérie, l'Escherichia coli * 2µm de longueur soit 2 millionièmes de mètre sur 1 µm de large et un poids d'environ 10-12 grammes * contient 2 000 gènes simples d'environ 1 000 bases chacun. Son ADN compte donc environ 2 000 000 bases. Le gène de la dystrophine chez l'Homme (gène qui code une protéine, la dystrophine, dont l'absence provoque la terrible myopathie de Duchenne) comprend lui 2 300 000 bases.

Le noyau Retour sur nos chromosomes Nos 23 chromosomes contiennent au total environ 3,5x109 bases. Prenons, une page "A4" comprenant 3 000 caractères alphabétiques. Il nous faudrait 5 000 livres de 200 pages pour obtenir un nombre égal de caractères. Une belle petite bibliothèque !!! Mises bout à bout, les 46 molécules d'ADN d'une seule cellule auraient une longueur de 1,5 mètre. Cet ensemble est, toutefois, compacté à l'extrême et tient dans un espace de 10 millionième de mètre de diamètre !!! L'ensemble de l'ADN contenu dans un être humain mesurerait donc 40 milliards de kilomètres soit 300 fois la distance Terre-Soleil… Les séquences entre deux individus sont semblables à 99,9 %.

Les Ribosomes

Le ribosome

Les ribosomes Organite qui assemble les protéines conformément au code génétique. Ribosomes libres et liés Les 2 sous-unités s'associent au moment de la traduction Différences entre les ribosomes procaryotes et eucaryotes Streptomycine => initiation de la synthèse Erythromycine => lecture de l'ARN Tétracycline => arrivée des acides aminés Chloramphénicol => liaisons entre les acides aminés.

Les ribosomes

Le réseau des membranes intracellulaires Membrane nucléaire Réticulum endoplasmique Appareil de Golgi Lysosomes Peroxysomes Vacuoles Membrane plasmique

Le réticulum endoplasmique

Le réticulum endoplasmique Reticulum = réseau Endoplasmique = dans le cytoplasme => tubules et citernes => rugueux et lisse

Le réticulum endoplasmique lisse Synthèse des lipides graisses, phospholipides, hormones stéroïdiennes Métabolisme des glucides glucose-phosphate => régulation de la glycémie Détoxication des médicaments, drogues et poisons augmentation de la solubilité alcool et tolérance alcool et médicaments

Le réticulum endoplasmique rugueux

Le réticulum endoplasmique rugueux Synthèse des protéines de sécrétion Glycosylation des glycoprotéines Vésicules de transition Synthèse des membranes intracellulaires (naissance de l'ensemble des membranes de la cellule)

Réticulum endoplasmique

L'appareil de Golgi

L'appareil de Golgi Fonctions : fabrication affinage entreposage triage expédition Face cis = entrée des produits Face trans = expédition Modification de certaines molécules (glycosylation) Création de nouvelles molécules Triage par apposition d'étiquettes moléculaires.

L'appareil de Golgi 1 2 3 4 Transport vesicle buds off Ribosome Sugar chain Glycoprotein Secretory (glyco-) protein inside transport vesicle ROUGH ER Polypeptide

Les lysosomes

Les lysosomes Sac membraneux rempli d'enzymes hydrolytiques. Uniquement chez les animaux ! pH acide (5) : protection de la cellule vis-à-vis d'enzymes potentiellement dangereuses. Issus du bourgeonnement de l'appareil de Golgi Impliqués dans la phagocytose Impliqués dans le recyclage interne (autophagie). Ex. de la cellule du foie, qui renouvelle 50% de ses molécules chaque semaine.

Lysosomes

Transport vesicle (containing inactive hydrolytic enzymes) Rough ER Transport vesicle (containing inactive hydrolytic enzymes) Plasma membrane Golgi apparatus Engulfment of particle Lysosome engulfing damaged organelle “Food” LYSOSOMES Digestion Food vacuole Figure 4.11B

Les lysosomes Impliqués dans certaines maladies humaines. Maladies de surcharge = absence d'une enzyme de dégradation. Glycogénose = accumulation de glycogène dans le foie Maladie de Tay-Sachs = absence d'une lipase => altération des fonctions cérébrales Thérapie génique ??

Les vacuoles

Les vacuoles Animales = phagosomes vacuoles contractiles des protistes d'eau douce Végétales = TONOPLASTE (très important) réservoir de matière organique réservoir d'ions potassium ou chlorure idem au lysosomes animaux (hydrolyse) décharge pour produits toxiques pigments, ou produits toxiques pour prédateurs

Mouvements membranaires (1)

Mouvements membranaires (2)

La membrane plasmique

La membrane plasmique

Les peroxysomes membrane simple produit du peroxyde d'hydrogène H2O2 découpage des lipides, détoxication de l'alcool dans le foie grand nombre dans les graines en germination (lipides => glucides)

Les mitochondries

Les mitochondries d'une à plusieurs milliers par cellule de 1 à 10 mm contient de l'ADN (!) espace inter-membranaire / matrice mitochondriale chaîne respiratoire => production d'ATP

Le chloroplaste

Le chloroplaste

Le chloroplaste membre de la famille des "plastes" amyloplastes chromoplastes 2mm sur 5mm thylakoïdes empilés en grana conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique

Le cytosquelette Réseau de fibres qui parcourt tout le cytoplasme => ossature de la cellule Mais il lui permet aussi de changer de forme (échafaudage qu'on peut déplacer d'un endroit à un autre) Et pourquoi pas, de se déplacer (cils, flagelles, pseudopodes, cyclose) = > musculature de la cellule 3 sortes de fibres : microtubules filaments intermédiaires microfilaments (filaments d'actine)

Le cytosquelette

Filaments intermédiaires Le cytosquelette Microtubules Microfilaments Filaments intermédiaires Tubes Paroi formée des 13 colonnes de tubuline 25nm de diamètre, dont 15 nm de lumière Deux brins d'actine entortillés 7nm de diamètre Diverses protéines fibreuses Superhélice (cable) 8-12nm de diamètre Mobilité cellulaire (cils et flagelles) Mouvement des chromosomes Mouvements des organites Maintien de la forme Contraction musculaire Cyclose Mobilité cellulaire (pseudopodes) Sillon de division cellulaire Maintien et changement de forme de la cellule Fixation d'organites

Le cytosquelette

Les flagelles

Cils et flagelles

La contraction musculaire

Les pseudopodes

Les pseudopodes

La surface cellulaire La paroi cellulaire des cellules végétales paroi primaire lamelle moyenne (pectines) paroi secondaire (bois) Le glycocalyx des cellules animales glycoprotéines, glycolipides identité des cellules (ABO, ovules) Les jonctions intercellulaires (plasmodesmes)

La paroi de la cellule végétale

Quelques exemples de différents types cellulaires

Surface de la peau (grenouille) cellule

On connaît près de 200 types différents de cellules dans le corps humain. Chaque type remplit une fonction précise.

Feuille d'Élodée (petite plante aquatique)

Feuille vue en coupe

Qu’est-ce que c’est? Autres structures de la cellule Sac rempli de gras

Neurones

Free surface of epithelium Basement Membrane (extracellular matrix) Underlying tissue Cell nuclei A. SIMPLE SQUAMOUS EPITHELIUM (lining the air sacs of the lung) D. STRATIFIED SQUAMOUS EPITHELIUM (lining the esophagus) B. SIMPLE CUBOIDAL EPITHELIUM (forming a tube in the kidney) C. SIMPLE COLUMNAR EPITHELIUM (lining the intestine) Figure 20.4

E. CARTILAGE (at the end of a bone) Les 6 types de tissus conjonctifs Cell Cell nucleus Collagen fiber Collagen fibers Other fibers A. LOOSE CONNECTIVE TISSUE (under the skin) D. FIBROUS CONNECTIVE TISSUE (forming a ligament) Fat droplets Cells Cell nucleus Matrix B. ADIPOSE TISSUE E. CARTILAGE (at the end of a bone) White blood cells Central canal Red blood cells Matrix Cells Plasma C. BLOOD F. BONE Figure 20.5

Unit of muscle contraction Nucleus Muscle fiber Muscle fiber Junction between two cells Nucleus Muscle fiber Nucleus B. CARDIAC MUSCLE A. SKELETAL MUSCLE C. SMOOTH MUSCLE Figure 20.6

FIN