LA CELLULE et les ORGANISMES PLURICELLULAIRES

Rappel sur l’évolution Soupe prébiotique = 6 éléments essentiels C H O N S P  1ères molécules = ARN - Acides aminés acides gras – sucres ADN énergie, membranes et métabolisme Double couche phospholipidique =sélection de chaînons membrane cellulaire métaboliques efficaces plus d’énergie Adaptation à l’environnement par symbiose de 2 systèmes différents  Respiration aérobie et anaérobie Evolution spécifique et fonctionnelle des cellules Organisation pluricellulaire

Production des molécules essentielles dans les conditions de l’atmosphère primordiale

Tailles et formes des cellules Réception de signaux issus de 100.000 autres cellules Cils vibratiles Différents exemples de cellules A : cellule nerveuse humaine B : paramécie C : cellules de jeune plante (tige) D : bactérie minuscule E : neutrophile englobant un globule rouge lignine cellulose Globule blanc polynucléaire neutrophile Globule rouge

Assortiment de protozoaires Echelle 10mm

Caractéristiques comparées des procaryotes et des eucaryotes

structure et organisation la cellule structure et organisation

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)

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)

La taille des cellules est limitée par leur rapport surface / volume Les échanges entre la cellule et son milieu se font par la surface de la membrane cellulaire. Ces échanges sont proportionnels au volume de la cellule. 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.

Structure générale d'une cellule animale eucaryote

Les éléments de la cellule

Le noyau Nucléole Structure de synthèse de l’ARN ribosomal (transcription des gènes assemblage ARNr puis exportation vers le cytosol)

Réticulum endoplasmique

Réticulum endoplasmique Constitution: Le réticulum endoplasmique est fait d'une seule membrane enroulée sur elle-même. Elle est formé de tubes qui sont interconnecté entre eux. Types: Réticulum endoplasmique rugueux Réticulum endoplasmique lisse Toutes les cellules eucaryotes possèdent un réticulum endoplasmique.

Réticulum endoplasmique rugueux Propriété: Sa membrane porte de très nombreux ribosomes. Fonctions: Joue un rôle capital dans la synthèse et la transformation des protéines. Fabrique toutes les protéines qui sont sécrétées par la cellule. Est utilisé pour fabriquer soigneusement la membrane cellulaire et plus spécifiquement des phospholipides et du cholestérol. Il est le support physique aux ribosomes qui effectuent l'assemblage des acides aminés en protéines.

Ribosomes

Réticulum endoplasmique lisse Propriété: C'est le prolongement du rugueux. Fonctions: Il est nécessaire dans la formation des corps gras et dans celle des lipoprotéines ( lipides + protéine ). Il s'occupe de l'absorption,la fabrication et le transport des lipides comme dans les cellules intestinales. Contient les enzymes qui rentre dans la formation des corps gras, dans celle du cholestérol et celle des lipoprotéines.

Les ribosomes Propriété: Structure: Fonctions: petite structure cellulaire responsable de la synthèse des protéines. Certains ribosomes sont libres dans le cytoplasme. Certains autres sont associés au réticulum endoplasmique, formant le réticulum endoplasmique rugueux. Structure: Constitué de molécules d’un type particulier d’ARN. Porte des sites de fixation l’un lui permettant de s’accrocher aux ARN messagers (ARNm), les deux autres donnant la possibilité à des ARN de transfert (ARNt) de se fixer sur le ribosome. Fonctions: Jouent un rôle essentiel dans la synthèse des protéines. Parcourent les ARN messagers (ARNm) et ajoutent les nouveaux acides aminés. Sert de catalyseurs de la synthèse protéique.

L'appareil de Golgi

Appareil de Golgi Description : Organite des cellules eucaryotes constitué d'un empilement de saccules, petits sacs, aplatis s’ajoutant continuellement. Utilité : L'appareil de Golgi reçoit lipides et protéines du réticulum endoplasmique et les réexpédie, après transformation et tri, vers un certain nombre de destinations internes ou externes à la cellule.

Structure générale d'une cellule animale eucaryote

Mitochondrie

Mitochondrie (suite) Les mitochondrie qui sont en grande quantité dans les cellules sont considérés comme les moteurs de celles-ci. Elles transforment la nourriture en ATP (Adénosine triphosphate). Elles produisent donc l'énergie nécessaire aux fonctions vitales par le biais du processus de respiration cellulaire.

Mitochondrie Crête Espace intermembranaire (renferme des enzymes, des transporteurs d'hydrogène, de l'ADP, de l'ATP) Membrane externe (composition voisine de la membrane plasmique) Membrane interne (protéines chargées du transfert de l'hydrogène et des électrons + ATP)

Chloroplaste (136)

Chloroplaste Membrane interne (composition voisine de la membrane plasmique) Membrane externe (composition voisine de la membrane plasmique) Espace intermembranaire (contient des enzymes, des transporteurs d'hydrogène, de l‘ADP et de l‘ATP Thylakoïdes (renferment des pigments photorécepteurs + protéines + ATP) Granum (empilement de thylakoïdes) Lamelle

Chloroplaste (suite) Toute une chaîne de réactions d'oxydoréduction (déclenchée par l’énergie lumineuse) se déroule dans les thylakoïdes pour produire de l'énergie que la cellule emmagasine. Réalisée au niveau des pigments chlorophylliens, cette oxydation libère des électrons et des protons qui permettront de produire de l'ATP. Grâce à cet énergie, la cellule végétale fabrique toutes sortes de substances nutritives (principalement des sucres) à partir d'éléments minéraux.

Lysosome (132)

Les lysosomes

Lysosome (suite) Les lysosomes sont les « poubelles » de la cellules. Ils ont 2 fonctions principales: l'hétérophagie : la digestion des matériaux provenant de l’extérieur de la cellule (substance alimentaire ou bactéries) l'autophagie : digestion de certaines parties de la cellule qui sont inutiles (prévention de la formation de substances toxiques) Ils proviennent de l’appareil de Golgi et sont surtout constitué d’enzymes digestifs

Péroxysome

Les peroxysomes

Peroxysomes (suite) C’est un petit organite qui a pour rôle l’oxydation des acides gras à longue chaîne, la décomposition de l’oxyde d’hydrogène (toxique cellulaire), la dégradation des prostaglandines (substances semblables aux hormones). Ils sont plus nombreux dans les cellules hépatiques (foie).

Vacuoles

Cytosquelette Rôle: Maintien de la forme des cellules Surtout dans le cas des cellules animales qui sont dépourvues, au contraire des cellules végétales, de paroi rigide. Intervient dans les mouvements des cellules Chez les unicellulaires comme les amibes, mais également chez les pluricellulaires, notamment avec les globules blancs Sert de « rails » pour le transport de certaines molécules au sein de la cellule. Est très important pour la croissance de la paroi cellulaire, car l'orientation des microfibrilles de cellulose qui sont associées à la paroi est déterminée par l'orientation des microtubules du cytosquelette.

Cytosquelette Vimentine, kératine, desmine….. famille hétérogène fibres en forme de cordage (10nm) lamina nucléaire, résistance mécanique Actine polymères hélicoïdaux Structure flexibles (7nm) responsables des mouvements cellulaires (dans le cortex cellulaire) Tubuline longs cylindres creux (25nm) rigides,rectilignes attachés au centrosome

Cytosquelette (suite) Constitution: Microfilaments Les microfilaments constituent un réseau principalement localisé sous la surface cellulaire. Filaments intermédiaires Les filaments intermédiaires constituent un réseau qui occupe tout l'espace cytoplasmique. Sous la membrane nucléaire interne ils constituent la lamina. Microtubules Les microtubules constituent un "réseau" dont le centre est situé au niveau du centrosome.

Les tissus

Deux exemples de mécanismes d’assemblage des cellules en tissus Feuillet épithélial : membrane basale et formation de jonctions intercellulaires Évolution d’un être unicellulaire en organisme pluricellulaire migration des cellules de la crête neurale ganglions et cellules satellites

Formation d’un tube ou d’une vésicule par incurvation d’un feuillet épithélial A : shéma de la formation d’un tube ou d’une vésicule B : formation du tube neural (embryon de poussin de 2 jours) C : formation du cristallin (coupe d’un œil)

Les stades de développement d’un embryon de poisson zèbre

Des conséquence d’anomalies d’expression des gènes bourgeon de membre de poussin duplication du modèle des doigts Des conséquence d’anomalies d’expression des gènes (mutation dans le gène de sélecteur homéotiques) antennes converties en jambes

Vue schématique de l’organisation d’une hydre animal diploblastique ordre des cnidaires

Le corps humain contient plus de 200 types de cellules Celles-ci sont réunis en de nombreux types de tissus Épithéliums Tissu conjonctif Muscle Tissus nerveux . La plupart des tissus contiennent un mélange de types cellulaires

Le cycle cellulaire et La division cellulaire

Vie : état et ensemble d’actions et de réactions qui animent pendant un temps limité des systèmes naturels hautement structurés à toutes les échelles d ’observation : les êtres vivants. Cellules : unité morphologique et physiologique de tous les êtres vivants, capable de se reproduire à l’identique. La vie de la cellule est en constant mouvement, de sa formation à la mort cellulaire. La durée de vie de la cellule est extrêmement variable. Chaque type de cellules est compétent pour un nombre donné de cycles cellulaires. Des évènements de diverses origines peuvent interférer sur cette durée de vie (apoptose).

Les étapes du cycle cellulaire La synthèse de DNA ou phase S La durée de cette phase est variable, de quelques minutes pour les cellules embryonnaires à plusieurs heures pour la plupart des cellules somatiques. Pour celles-ci, en effet, pendant cette phase, la cellule continue à transcrire activement les gènes des protéines nécessaires à leur survie et au maintien des fonctions spécialisées. Pendant la phase S, la cellule dédouble aussi le centrosome, nécessaire à la migration des chromosomes. Les deux centrosomes migrent autour du noyau et se positionnent de façon diamétralement opposée. La phase M La phase M, ou mitose, est la période de division cellulaire : les chromosomes, le matériel nucléaire et cytoplasmique sont divisés entre les deux cellules filles. Le contenu en DNA passe ainsi de 4N à 2N. Au cours de cette phase, le rôle des microtubules du fuseau est particulièrement important. La durée de la phase M est en général très court, inférieure à une heure.

Les étapes du cycle cellulaire Phase G2 C'est la phase séparant la synthèse d'une copie du DNA nucléaire de la séparation physique des deux cellules. Sa durée est extrêmement constante et le plus souvent courte (quelques heures au maximum). Il s'agit d'une phase automatique : les cellules entrées dans la phase S aboutissent toujours à la phase M. C'est une phase de contrôle de la bonne transcription du matériel génétique, impliquant des gènes et des protéines importants pour le bon déroulement de la mitose. Phase G1 C'est la phase du cycle cellulaire dont la durée est la plus longue, et la plus variable selon le type cellulaire. Le temps passé en G1 est inversement proportionnel au taux de prolifération. Lorsque les conditions extérieures ne sont pas favorables à la prolifération, les cellules s'arrêtent en G1 : les cellules déjà impliquées dans une division (phase S, G2 ou M) la complètent pour arriver en phase G1. Pendant cette phase, la cellule croît en taille, et fabrique les protéines cytoplasmiques qui seront ensuite divisées pour les cellules filles. Phase G0 On appelle ainsi une période, plus ou moins longue, pendant laquelle la cellule est dans un état de repos, non prolifératif. Ces cellules contiennent un matériel nucléaire 2N, et ressemblent, au microscope, aux cellules en G1. Cependant, elles n'ont pas le même métabolisme protéique ou du RNA. Certaines cellules terminales sont dans un état G0 définitif, comme les polynucléaires ou les neurones. D'autres peuvent, sous l'effet de facteurs externes, passer de l’état de repos G0 à l’état actif G1 (ainsi les hépatocytes après hépatectomie partielle, ou les lymphocytes avant la stimulation antigénique)

La division cellulaire Mitose  nécessaire à la survie de l’individu unicellulaire compense la mort cellulaire permanente des individus pluricellulaires fabrique un individu diploïde Méiose  nécessaire à la survie de l’espèce (pluricellulaire) fabrique 4 cellules haploïdes  cellule diploïde  reproduction sexuée crée des occasions particulières pour une innovation génétique est le fait de la quasi-totalité des organismes complexes

La mitose Un organisme eucaryote est formé de cellules. Chacune de ses cellules provient de la multiplication d'une cellule préexistante. La mitose ou division cellulaire permet de multiplier le nombre de cellules en conservant la quantité et la qualité des informations contenues dans les chromosomes. Le déroulement de la mitose dépend de mécanismes très précis. Ces mécanismes sont universels, c'est à dire communs, à quelques détails près, à tous les organismes eucaryotes, animaux et végétaux.

PROPHASE début Les chromosomes ne sont pas individualisés. Le matériel génétique est sous la forme de chromatine. Le centrosome (MTOC, Centre Organisateur de Microtubules) est composé de deux centrioles perpendiculaires entourés de matériel péricentriolaire. PROPHASE début Les chromosomes s'individualisent (les couleurs rouge et vert symbolisent l'origine paternelle ou maternelle des chromosomes). Le centrosome a été dupliqué en fin d'interphase. PROPHASE suite Les chromosomes s'épaississent et se raccourcissent. Nous avons choisi un nombre de chromosomes : 2N=4. Deux sont d'origine maternelle et deux d'origine paternelle. Chaque chromosome est constitué de deux chromatides qui restent liées entre elles au niveau des centomères kinétochores (en violet).

PROPHASE suite Les chromosomes sont maintenant très courts et épais. Les deux centrosomes vont se séparer. Les deux centrosomes accompagnés de microtubules rayonnants constituent des asters qui migrent vers les deux pôles de la cellule en se repoussant l'un l'autre grâce à des moteurs agissant sur les microtubules chevauchants. Les deux asters sont aux deux pôles opposés. Les microtubules émis par chacun d'eux les maintiennent en place et constituent le fuseau (des microtubules de même type existent évidemment dans les autres plans de l'espace).

PROPHASE fin La membrane nucléaire disparait. Les chromosomes ne sont plus dans un noyau, mais sont emprisonnés dans la cage constituée par les fibres tutoriales. PROMETAPHASE début La membrane nucléaire a complètement disparu. De nombreux microtubules dynamiques sont polymérisés à partir des deux pôles. PROMETAPHASE suite Ces microtubules s'allongent en direction des chromosomes. Lorsque l'un d'entre eux rencontre un centromère kinétochore d'un chromosome, il le capture (attachement unipolaire). Les autres microtubules continuent à "chercher".

PROMETAPHASE suite Le chromosome est capturé par un autre microtubule venant de l'autre aster. L'attachement du chromosome au fuseau est maintenant bipolaire. Par le jeu de la polymérisation et de la dépolymérisation des microtubules et grâce à des moteurs, le chromosome capturé est placé à l'équateur du fuseau. Pour simplifier, un seul microtubule a été utilisé pour capturer un chromosome. En réalité 15 à 40 microtubules s'attachent au kinétochore d'un chromosome de mammifère. Un autre chromosome est capturé.

Il est à son tour placé à l'équateur du fuseau. Le dernier chromosome vient d'être capturé de manière unipolaire.Les autres chromosomes positionnés à l'équateur vont l'attendre. La séparation des chromatides (anaphase) est bloquée tant que TOUS les chromosomes ne sont pas alignés et reliés aux deux pôles. Tout chromosome mal attaché envoie un signal inhibiteur. METAPHASE Tous les chromosomes sont maintenant placés à l'équateur du fuseau et constituent la plaque équatoriale. Les signaux inhibiteurs venant des chromosomes n'existent plus. L'ensemble du système est vérifié par un "checkpoint" et attend le feu vert pour déclencher l'anaphase.

ANAPHASE début D'un seul coup, tous les kinétochores se séparent. Les microtubules attachés aux kinétochores se dépolymérisent et les chromosomes montent vers les pôles grâce à leurs moteurs. ANAPHASE suite Les deux lots de chromatides, qui, maintenant individualisées, sont des chromosomes, gagnent les pôles du fuseau en remontant le long des microtubules. Les deux lots de chromosomes sont rassemblés aux pôles car ils sont guidés par la cage formée par le fuseau lui-même. Un cercle de fibres contractiles (acto-myosine) apparait autour de la cellule dans le plan de l'équateur.

TELOPHASE début Ces fibres se contractent. Elles réalisent un sphincter qui resserre le diamètre de la cellule au niveau de l'équateur. TELOPHASE suite Le processus se poursuit. La cellule se partage en deux progressivement. La cellule est presque entièrement partagée. La membrane nucléaire se reconstitue autour de chaque lot de chromosomes.

TELOPHASE fin les chromosomes se décondensent progressivement. DEUX CELLULES Les chromosomes poursuivent leur décondensation. Remarquons que chaque chromosome fils est constitué d'une seule chromatide alors qu'au début de la mitose chaque chromosome était constitué de deux chromatides. Ces cellules vont poursuivre leur cycle et éventuellement, après la duplication de leur ADN, entrer à leur tour dans une phase mitotique suivante.

La meiose La méiose est une division cellulaire réductionelle. Les cellules humaines ont 46 chromosomes par cellules. C'est le nombre diploïde de chromosomes (2n=46). Les gamètes par contre contiennent la moitié de ce nombre de chromosomes et sont dits haploïdes (n=23). C'est lors de la production des gamètes par le processus de méiose que le nombre de chromosomes est réduit. La méiose, bien qu'elle ressemble à la mitose, a donc la fonction de produire des cellules haploides. Il est essentiel de réduire par la moitié le nombre de chromosomes dans les gamètes puisque deux gamètes se fusionnent pour produire le zygote qui deviendra l'embryon qui se développera en adulte. Quand les deux gamètes se fusionnent le nombre de chromosomes total doit être égal au nombre de chromosomes d'une cellule diploïde. La méiose se fait en deux étapes, la méiose I qui est la phase réductionnelle, et la méiose II qui est une phase équationnelle. C'est durant la méiose I que les chromosomes homologues sont séparés pour produire deux cellules filles ayant la moitié des chromosomes. Ces chromosomes sont par contre dédoublés (deux chromatides soeurs) et la méiose II sépare ces chromatides soeurs pour produire 4 cellules filles haploïdes.

Méiose réductionnelle 2n  n chromosomes Méiose Équationnelle = Mitose normale avec n chromosomes