COURS de Biologie Fondamentale 19 heures Stéphanie LUCAS Stephanie.lucas@univ-littoral.fr

1- Des molécules aux organismes vivants Atomes, ions, molécules L’eau et les composés inorganiques Les composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides, protéines) Des molécules aux organismes vivants 2- Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose) 4- Communications intercellulaires Types de communications Les molécules des communications Les récepteurs cellulaires Les réponses cellulaires 5- Cellules musculaires et nerveuses Potentiel de repos Potentiel d'action, codage de l'information Transmission synaptique Contraction musculaire

La cellule et ses organites Cellules humaines : eucaryote, avec un noyau et des organites taille moyenne  50 µm = 0.050 mm font partie d’organismes pluricellulaires

2- Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette

La membrane cellulaire- Composition Membrane (% du poids) Lipides Protéines Glucides 52 44 4 La membrane cellulaire (ou membrane plasmique) est composée de phospholipides Partie lipidique hydrophobe Phosphate hydrophile Hydrophile Hydrophobe bicouche phospholipidique

La membrane cellulaire- Composition Phosphatidylcholine Phosphatidylsérine Phosphatidylinositol Phosphatidylethanolamine

La membrane cellulaire- composée de lipides L’assemblage des membranes cellulaires se fait de façon autonome Lipides Lipides + phospholipides Phospholipides

La membrane cellulaire- composée de glucides Membrane (% du poids) Lipides Protéines Glucides 52 44 4 chaînes glucidiques Extérieur cell coat glycocalyx Intérieur Couche glucidique impliquée dans la protection des cellules la reconnaissance des cellules (CMH= complexe majeur d’histocompatibilité)

La membrane cellulaire- composée de protéines Membrane (% du poids) Lipides Protéines Glucides 52 44 4 Extérieur Intérieur Les protéines assurent les fonctions des membranes.

La membrane cellulaire- Rôles milieu extracellulaire 1 - Echange 2 - Senseur milieu intracellulaire 3 - Ancrage

La membrane cellulaire- Rôles: ECHANGES La membrane est semi-perméable. Importance du gradient de concentration. Eau Grosses molécules non chargées (Glucose…) Ions (Ca2+, Cl-, K+…) Molécules chargées (protéines…) Gaz (CO2, O2, N2…) Petites molécules non chargées (Ethanol…) Lipides transporteur protéique ou vésicule

La membrane cellulaire- Rôles: ECHANGES Le passage des molécules hydrophiles (neutres ou chargées) s’effectuent grâce à des canaux spécifiques. ion ion ion ion ion ion ion ion ion ion Pompe/canal contre le gradient nécessite énergie TRANSPORT ACTIF ion Tunnel sens du gradient sans énergie TRANSPORT PASSIF ion ion ion ion

Déshydratation du mucus qui devient visqueux et salé . La membrane cellulaire- Rôles: ECHANGES Lien avec la clinique Mucoviscidose Déshydratation du mucus qui devient visqueux et salé . Maladie génétique la plus fréquente 1 naissance sur 2500 1 individu sur 25 hétérozygote Déficit en chlore extracellulaire Surplus de chlore intracellulaire Réabsorption exagérée de l'eau Défaut de synthèse d’un canal chlore Cl- Cl- Pompe/canal contre le gradient nécessite énergie Pôle apical des cellules épithéliales Cl- Cl- Cl- Cl-

La membrane cellulaire- Rôles: SENSEUR La membrane possède des récepteurs qui reconnaissent spécifiquement des molécules. Extérieur Intérieur Membrane plasmique Type 1 Type 2 Type 3 Récepteur Messager Nature Origine Principaux effets Type 1 Adrénaline Dérivé d’un Acide aminé Surrénale Hypertension Contraction musculaire Type 2 Insuline protéine Pancréas Régulation du glucose circulant Type 3 Acétylcholine Dérivé d’un AA Neurones Influx nerveux Type 4 Hormone thyroïdienne lipide Thyroïde Métabolisme

La membrane cellulaire- Rôles: ANCRAGE La membrane permet la jonction des cellules à d’autres cellules et à la matrice extracellulaire. matrice extracellulaire : matériel entre les cellules essentiellement composé d’une protéine : le collagène Exemple des épithéliums lame basale

La membrane cellulaire- Rôles: ANCRAGE Les jonctions d’ancrage (= desmosomes) attachent les cellules les unes aux autres grâce à des protéines d’adhésion transmembranaire. Jonctions d’ancrage Contact intercellulaire Protéines membranaires Cytosquelette Membrane  Rôle de stabilité mécanique

La membrane cellulaire- Rôles: ANCRAGE Lien avec la clinique Jonctions d’ancrage Contact intercellulaire Protéines membranaires Cytosquelette Des mutations au niveau des protéines constituantes des desmosomes sont des causes de cardiomyopathies ventriculaires .  dégénérescence progressive du coeur, mort soudaine. Membrane  Rôle mécanique

La membrane cellulaire- Rôles: ANCRAGE Les jonctions communicantes permettant le passage direct de molécules d'une cellule à une autre. Couplage métabolique = Transmission de signaux pour permettre aux cellules de fonctionner en même temps. connexine Espace intercellulaire Jonctions communicantes Canal

La membrane cellulaire- récapitulatif La membrane plasmique : - est imperméable aux grosses molécules et aux molécules chargées - est essentiellement composée d’une bicouche de phospholipides - contient un peu de glucides  protection, reconnaissance et adhésion cellulaire - contient des protéines  rôles d’échanges, de senseurs et d’ancrage

2- Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette

Le noyau Organite le plus volumineux de la cellule

granulocyte neutrophile Le noyau - Généralités Organite le plus volumineux de la cellule, Généralement un seul noyau, dont la forme, le volume et la position dans la cellule varient. « polynucléaire » granulocyte neutrophile fibroblaste adipocyte Cellules d’une glande exocrine Plusieurs noyaux dans une même cellule Cellules musculaires squelettiques Absence de noyau= cellule anucléée hématies 22

Le noyau - Constituants Une enveloppe ou membrane nucléaire = deux membranes et des pores Un nucléoplasme contenant la chromatine ou filaments chromatiniens (=ADN+protéines) le nucléole (transcription)

Lieu de stockage de l’ADN Le noyau – Rôle principal Fonction principale : Lieu de stockage de l’ADN Mais l’ADN est une très longue molécule 1 cellule = ~2 m d’ADN …dans un noyau de 5 µm de Ø Nécessité de compaction L’ADN est compacté grâce à des protéines, les histones : ADN + histones = chromatine (chromosomes) ADN Noyau protéique = histones

Le noyau – le stockage de l’ADN Les chromosomes changent de forme selon l’état de la cellule. Interphase (entre deux divisions cellulaires) : chromatine Mitose (division cellulaire) : chromosome métaphasique

Repliements successifs Le noyau – le stockage de l’ADN Repliements successifs  chromosomes

Le noyau – Structure des chromosomes métaphasiques

Le noyau – Le Caryotype

Le caryotype est réalisé pour : Le noyau – Le Caryotype Le caryotype est réalisé pour : Recherche d’anomalies chromosomiques (trisomie 21…) Pas pour les maladies génétiques A l’aide de: Prélèvement sanguin  lymphocytes Mise en culture in vitro Gonflement des cellules en milieu hypotonique (entrée d’eau) Observation des cellules en microscopie après coloration (au Giemsa) de l’ADN Identification des chromosomes par leur taille et forme

Le noyau – Structure des chromosomes Télomères : chaque fois qu’un chromosome est dupliqué, ils raccourcissent  Une des causes du vieillissement ADN non codant : 1.5% de l’ADN code pour des protéines Gènes : régions qui indiquent la fabrication des protéines

Le noyau – la transcription des gènes en ARN Patrimoine génétique Noyau Cytoplasme ADN ARN protéines Gène 1 Gène 2 Gène 3 Transcription ARN 1 ARN 2 ARN 3 Traduction Protéine 1 Protéine 2 Protéine 3 Fonctions et structures

Le noyau – la transcription des gènes en ARN Devant chaque gène : un promoteur  site de fixation de polymérase de l’ARN Derrière chaque gène : un site de terminaison  site de décrochage de polymérase de l’ARN

Le noyau – Structure des chromosomes Télomères : chaque fois qu’un chromosome est dupliqué, ils raccourcirent  Une des causes du vieillissement ADN non codant : 1.5% de l’ADN code pour des protéines gènes : régions qui indiquent la fabrication des protéines Origines de réplication : régions d’accrochage de l’enzyme de la réplication

Le noyau – La réplication de l’ADN Opération par laquelle l’ADN est dupliqué, doublé, à l’identique: mécanisme semi-conservatif  Polymérase de l’ADN

Le noyau – Récapitulatif - est l’organite le + volumineux dans la cellule (en général 1 par cellule) - est le lieu de stockage de l’ADN (ADN + histone = chromatine, chromosomes) - est le lieu de la réplication (ADN  ADN) - est le lieu de la transcription (ADN  ARNs)

2- Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette

Le cytoplasme Cytoplasme : contenu d’une cellule vivante, ce qui se situe entre les organites. De 50 à 80 % du volume d’une cellule Essentiellement constitué d’eau

Nombreuses réactions du métabolisme. Le cytoplasme Cytoplasme : contenu d’une cellule vivante, ce qui se situe entre les organites. Glycolyse/ Néoglucogenèse Nombreuses réactions du métabolisme.

Le cytoplasme Cytoplasme : Nombreuses réactions du métabolisme  Synthèse des protéines  Glycolyse

Noyau Cytoplasme Le cytoplasme - La synthèse protéique ADN ARN protéines Gène 1 Gène 2 Gène 3 Transcription ARN 1 ARN 2 ARN 3 Protéine 1 Protéine 2 Protéine 3 Traduction

- La synthèse protéique Le cytoplasme - La synthèse protéique Code génétique : 1 base ADN  1 base ARN 3 bases ARN (codons) 1 AA ADN ARN protéines

- La synthèse protéique Le cytoplasme - La synthèse protéique Code génétique : 3 bases ARN (codon)  1 AA ADN ARN protéines .

- La synthèse protéique Le cytoplasme - La synthèse protéique Des ribosomes (protéines) font défiler les ARN messagers. Au fur et à mesure, des ARN de transfert se fixent sur les codons (triplets de bases) de l’ARN et ajoutent les acides correspondants à la protéine en fabrication.

- La synthèse protéique Le cytoplasme - La synthèse protéique Nombreuses réactions du métabolisme Synthèse des protéines (exemple de réaction anabolique) Glycolyse (exemple de réaction catabolique)

Le cytoplasme - La glycolyse Glycolyse : lyse du glucose pour en tirer l’énergie nécessaire à la cellule. Transporteur de glucose Glucose Pyruvate Glycolyse 10 réactions de dégradation  ATP (adénosine triphosphate)

 ATP (adénosine triphosphate) Le cytoplasme - La glycolyse Glycolyse : lyse du glucose pour en tirer l’énergie nécessaire à la cellule  ATP (adénosine triphosphate) Devise énergétique de la cellule Molécule énergétique immédiatement utilisable ATP + H2O  ADP + P + énergie

Le cytoplasme - La glycolyse Glycolyse : lyse du glucose pour fournir 2 molécules d’ATP à la cellule, dans le cytoplasme. Transporteur de glucose Glucose Pyruvate Glycolyse 10 réactions de dégradation  ATP (adénosine triphosphate) Respiration dans les mitochondries  ATP

Le cytoplasme - Récapitulatif Le cytoplasme : - est le contenu d’une cellule vivante, entre les organites et la membrane - est le lieu de synthèse des protéines (à partir des ARNs, grâce aux ribosomes) - est le lieu la glycolyse : glucose  pyruvate + ATP (énergie)

2- Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette

Les mitochondries Un des + volumineux organites La « centrale énergétique » Lieu de la respiration : production d’ATP en présence d’oxygène O2 Quelques centaines par cellules en moyenne Hématies : aucune ; Cellules musculaires : > 50% du volume de la cellule

Les mitochondries - structure Un des + volumineux organites Membrane externe Membrane interne formant des plis  lieu de la respiration Optimise le rendement Lieu de la respiration : production d’ATP en présence d’oxygène O2 ATP + H2O ADP + Pi + « énergie » L’ATP est le fournisseur d’énergie L’ATP permet le fonctionnement de pompes, l’activation de certaines enzymes, la communication dans la cellule….

Les mitochondries - Fonction C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Glucose Pyruvate Glycolyse (=2 ATP) O2 Respiration 29 ATP La respiration génère beaucoup + d’ATP (d’énergie) que la glycolyse. Cycle de Krebs

Les mitochondries - Origine Les mitochondries sont des bactéries qui se sont mises à vivre dans les cellules  symbiose Cellule procaryote anaérobie ADN Cellule eucaryote anaérobie Cellule procaryote aérobie Incorporation d’une cellule procaryote dans une cellule eucaryote Transfert progressif de gènes Mitochondrie noyau Il y a 3 milliards d’années Aujourd’hui

Ce génome est transmis uniquement par la mère. Les mitochondries - Leur génome Aujourd’hui, le génome mitochondrial ne contient plus que quelques gènes toujours fonctionnels. Ce génome est transmis uniquement par la mère.

- Un organite important Les mitochondries - Un organite important Lien avec la clinique Les anomalies de production d’énergie par les mitochondries conduisent à un dysfonctionnement des cellules (grave pour les tissus « actifs » tels que muscles squelettiques et cardiaque, le cerveau et le foie). Le Cyanure, un poison mitochondrial H-C≡N produit par des bactéries , ou des moisissures, et contenu dans plusieurs aliments et plantes. Les cyanures sont utilisés comme raticides. Le cyanure se fixe sur les atomes de fer contenus dans les protéines responsables de la respiration.

Maladies génétiques mitochondriales : Exemple du Syndrome NARP: Les mitochondries - Un organite important Lien avec la clinique Maladies génétiques mitochondriales : Exemple du Syndrome NARP: GGCTACTTGAATCGA ADN mitochondrial normal Gly-Tyr-Leu-Asn-Arg Protéine synthétisant ATP: fonctionnelle GGCTACTGGAATCGA ADN mitochondrial avec une mutation sur le nucléotide 8993 Gly-Tyr-Arg-Asn-Arg Protéine synthétisant ATP: NON fonctionnelle Pas de synthèse d’ATP Réduction de l’énergie cellulaire Mort cellulaire au niveau du cerveau et rétine Symptômes: neuropathie sensorielle, ataxie, rétinite pigmentaire 56

Les mitochondries - Récapitulatif Les mitochondries : - sont de gros organites (en moyenne 100 par cellule) - sont le siège de la respiration cellulaire : production de grandes quantités d’ATP (pyruvate + O2  CO2 + Energie ) - sont les descendants d’anciennes bactéries - ont encore un génome propre

2- Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette

Les membranes intracellulaires ou système endomembranaire Dans la cellule  nombreux compartiments isolés par la membrane lipidique.

Les membranes intracellulaires

Les membranes intracellulaires -le Reticulum Endoplasmique Le RE est présent autour et à proximité du noyau. Comme toutes les membranes intracellulaires, il a la même structure et composition que la membrane plasmique : phospholipides.

Les membranes intracellulaires -le Reticulum Endoplasmique Le RE se présente sous 2 formes : RE lisse et RE rugueux Le REL est le site de fabrication des membranes de la cellule (membrane plasmique et membranes intracellulaires). Le reticulum sarcoplasmique est une forme spécialisée de REL, stockant le Ca++ et impliquée dans la contraction musculaire. Le RER (aussi appelé RE granuleux REG) est le site de fabrication des protéines sécrétées.

Les membranes intracellulaires -Le REG La rugosité ou granulation est due à la présence des ribosomes qui sont responsables de la synthèse protéique.

Les membranes intracellulaires -Le REG Les protéines qui seront sécrétées sont fabriquées dans le cytoplasme et passent progressivement dans le RER Récepteur du ribosome Ribosome ARNm

Les membranes intracellulaires -du REG à l’Appareil de Golgi

Les membranes intracellulaires -L’Appareil de Golgi L’appareil de Golgi est un ensemble de sacs situé entre le RE et la membrane cellulaire. Rôle dans la modification et la maturation de certaines protéines : exemples: Fixation de chaînes glucidiques sur les protéines (molécules du CMH); Transformer une protéine inactive en une protéine active : 

Les membranes intracellulaires -L’Appareil de Golgi Rôles de l’appareil de Golgi : Reçoit des vésicules du réticulum endoplasmique (protéines membranaires et sécrétées) Modifie certaines protéines Echange des vésicules avec la membrane cellulaire (exocytose et endocytose)

Les membranes intracellulaires -échanges Exocytose : libération à l’extérieur de la cellule de molécules par fusion des vésicules de transport avec la membrane plasmique. Principalement les protéines sécrétées (insuline, neuromédiateurs…) Endocytose : pénétration de molécules ou de particules (bactéries….) dans la cellule par la membrane plasmique qui forme une vésicule.

Les membranes intracellulaires -les lysosomes

organite de destruction Les membranes intracellulaires -les lysosomes Réticulum endoplasmique Appareil de Golgi Les lysosomes sont le lieu de dégradation de tous les composants cellulaires: organite de destruction Enzymes des lysosomes : protéases lipases enzymes de dégradation des sucres nucléases …

Digestion de matériel phagocyté Les membranes intracellulaires -les lysosomes Digestion de matériel phagocyté Phagocytose : endocytose de matière solide ou de micro-organismes digestion de molécules endocytées digestion de molécules et organites intracellulaires (autophagie)

Les membranes intracellulaires -les lysosomes Lien avec la clinique: Les maladies lysosomales Retard mental (idiotie familiale) Cécité Faiblesse musculaire Décès à l’age de 2 ou 3 ans Sinon psychose maniaco-dépressive Normal Maladie de Tay-Sachs LYSOSOMES Accumulation de matériel non digéré dans les lysosomes

Les membranes intracellulaires -Récapitulatif - Le RE est un compartiment juste autour du noyau - Le RE lisse est le site de fabrication des lipides de la cellule - Le RE rugueux (ribosomes) est le site de fabrication des protéines sécrétées L’appareil de Golgi se situe entre le RE et la membrane plasmique Est impliqué dans la maturation de certaines protéines - Par échange de vésicules, il reçoit les protéines du RER et les envoie vers la membrane pour sécrétion (exocytose) reçoit des vésicules d’endocytose et les envoie vers les lysosomes. - Les lysosomes sont des vésicules issues de l’appareil de Golgi - Les lysosomes sont le lieu de la dégradation enzymatique de très nombreuses molécules (lipides, protéines, glucides… d’origine endogène ou exogène)

2- Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette

Le cytosquelette Le cytosquelette : formé de structures filamentaires qui constitue l’armature de la cellule. 3 types de constituants de localisations différentes Filaments intermédiaires : partent de la membrane plasmique Microtubules : partent d’une région à proximité du noyau Filaments d’actine : sous la membrane plasmique

Le cytosquelette - Caractéristiques générales 3 types de constituants de résistances différentes Filaments intermédiaires : les + solides Microtubules : les + fragiles Filaments d’actine : les - déformables

Le cytosquelette - Caractéristiques générales Cytosquelette en perpétuel remaniement

Cytosquelette: Filaments intermédiaires Le cytosquelette - - Les filaments intermédiaires Filaments intermédiaires : les + solides Jonction d’ancrage Contact intercellulaire Protéines membranaires Cytosquelette: Filaments intermédiaires Membrane  Rôle mécanique

Le cytosquelette - Les filaments intermédiaires Filaments intermédiaires : les + solides kératinocytes

Le cytosquelette - Les Microtubules Microtubules : les + fragiles = rails à l’intérieur de la cellule Des protéines « motrices » véhiculent : vésicules, mitochondries, chromosomes…  Rôle dans le déplacement des organites

Le cytosquelette - Les Microtubules Protéines motrices microtubules

Le cytosquelette - Les Microtubules  Lien avec la clinique Maladie d'Alzheimer : maladie neurodégénérative du tissu cérébral qui entraîne la perte progressive et irréversible des fonctions mentales et notamment de la mémoire. Elle fut initialement décrite par le médecin allemand Aloïs Alzheimer (1864-1915). Normalement, les protéines « motrices » se détachent périodiquement des microtubules, mais sont remplacées et rapidement dégradées chez le sujet sain. La maladie d'Alzheimer est caractérisée par des protéines « motrices » qui ne sont pas dégradées et vont donc s’accumuler. Ils bloquent le fonctionnement du neurone et ne permettent pas le bon transport axonal.

Le cytosquelette - Les filaments d’actine Filaments d’actine : les - déformables  Assurent de nombreuses fonctions Maintien de la structure cellulaire Endocytose / Exocytose Déplacement cellulaire Contraction cellulaire

Contraction cellulaire : cf cours 5 Le cytosquelette - Les filaments d’actine Filaments d’actine : les - déformables Assurent de nombreuses fonctions : Contraction cellulaire : cf cours 5 Les myofilaments d’actine glissent sur les myofilaments de myosine pour permettre la contraction des cellules musculaires. (Cours 5)

et comprend trois types de structures filamentaires: Le cytosquelette - Récapitulatif Le cytosquelette est le squelette, la charpente de la cellule et comprend trois types de structures filamentaires: - Les filaments intermédiaires, les plus solides, forment les ancrages des cellules. - Les microtubules sont des rails sur lesquels sont véhiculées de nombreuses molécules. - Les filaments d’actine situés sous la membrane, participent notamment à la contraction cellulaire et au déplacement des cellules.