La cellule : unité fonctionnelle de l’organisme

I. Introduction

1) Définition d’un Organisme Vivant

matière inorganique/organisme : mêmes atomes.

Organisme vivant : propriétés dynamiques

-élaborer ses propres constituants à partir des matériaux disponibles autour de lui.

-extraire de l’énergie de son milieu environnant

-catalyser (assurer) les nombreuses réactions chimiques nécessaires à ses activités

-s’isoler de manière à conserver un contrôle strict sur ses échanges avec l’extérieur ;

-exercer sur ses activités une régulation pour que son organisation soit maintenue même s’il y a des variations du milieu ;

-se multiplier

2) De l’Organisme à la Cellule

organisme qui contient des organes qui assument les différentes fonctions
-organes qui sont formés de tissus
-tissus formés de cellules
-tissu : regroupement de cellules du même type
-corps humain contient plusieurs centaines de types cellulaires différents
on distingue :
-organisme pluricellulaires contiennent nombreuses cellules
-unicellulaire formés par une cellule unique

on sait depuis 1838 que tous les organismes sont composés de cellules
cellule : unité fondamentale de matière vivante

-capable de reproduction
-assure processus métaboliques de l’organisme

II. Les Constituants de la Matière Vivante
1) Niveau Atomique

Les principaux atomes sont : oxygène, azote, hydrogène, carbone.

Niveau moléculaire
Introduction : généralités sur les molécules organiques
Une zone négative autour de o et une zone positif autour de H s’attirent créant entre molécules d’H₂O, des liaisons faibles intermoléculaires permettant la cohésion des molécules H₂O = Molécule H₂O est une molécule polaire.
Voir Doc. 2

2) Les Molécules Organiques

Généralités sur les molécules organiques :
4 classes de macromolécules : glucides (sucres), protéines, lipides, acides nucléiques (ADN).

Molécules organiques = biomolécules
Définition : les biomolécules sont des molécules rencontrées dans les organismes vivants où elles sont produites par des cellules.

Grandes molécules = macromolécules car molécules géantes formées de plusieurs millions d’atomes.




a) Les Glucides


Glucides (oses) synthétisés par les végétaux, sont fournis aux animaux par l’alimentation.
Formule  chimique : CnH₂n On. Contiennent des groupes hydroxydes (OH) qui confèrent grande solubilité et présentent une fonction aldéhyde (COH) ou une fonction cétone (CO).
On distingue :
-monosaccharides ou oses (un seul monomères), exemple : glucose C₆H₁₂O₆
- polysaccharides (polymères) exemple : glycogène.

-les polysaccharides sont des polymères. Leurs monomères (monosaccharides) sont liés par des liaisons glucocidiques.
Les monosaccharides et particulièrement le glucose sont des nutriments essentiels pour les cellules. Durant la respiration cellulaire, les cellules utilisent l’énergie emmagasinée dans le glucose.
Les animaux emmagasinent du glycogène qui est hydrolysé en monosaccharides selon les besoins des cellules.

b) Les Protéines

Elles représentent 50% du poids sec de la cellule
rôle dans fonctions cellulaires :
-soutien : kératine, protéine cheveux, ongles

-transport substances : hémoglobine protéine sanguine transport O₂

-régulation hormonale : nombreuses hormones peptidiques ex : insuline régule concentration glucose dans sang.

-mouvement : protéines contractiles des muscles (actine, myosine)

-immunité (protection organisme) : anticorps, protéines spécifiques combattant éléments étrangers pénétrant dans l’organisme ex. : bactérie, virus

-catalyse (modification vitesse réaction chimique) : enzymes, protéines accélérant vitesse réactions chimiques.

· Les acides aminées :
molécules organiques portant :
-un groupement carboxyle COOH
-un groupement amine NH₂
-une chaîne latérale notée R (pour radical) propriétés physiques et chimiques de R déterminant caractéristiques particulières de l’ acides aminées
-cellules élaborent protéines à partir de 20 acides aminées
-il existe d’autres acides aminées mais non incorporés dans protéines

· Polypeptides et protéines
polypeptide :
chaîne d’ acides aminées liés les uns aux autres par liaisons peptidiques

Une protéine est constituée de un ou plusieurs polypeptides

c) les lipides

Composés chimiquement hétérogènes regroupés en fonction d’une caractéristiques commune importante peu ou pas d’affinité pour l’eau -> hydrophobes
hydrophobicité repose dur leur structure moléculaire principalement formés de liaisons non polaires C-H
3 familles :

· Graisses, molécules de réserves énergétiques.

· Constituants de membranes cellulaires, phospholipides, molécules de structures.

· Stéroïdes : dans membranes cellulaires (cholestérol) ; hormones, molécules véhiculant une information dans l’organisme.

Voir doc. 4a et 4b

· Les phospholipides
-glycérol CH₂-CHOH-CH₂OH (hydrophobe)
-

· Les s
-Sphingosine (alcool aminé à longue chaîne grasse)
CH₃-(CH₂)₁₂-CH-CH-CH(OH)-CH-CH₂OH
-acide gras (hydrophobe)
-groupement phosphate (hydrophile)
-molécule polaire : acide aminé ou alcool (hydrophile)
Molécules amphiphiles

biologiquement :
Dans les membranes animales :
-réduit la fluidité de la membrane à température modérée
-empêche la solidification à la basse avec la température
Précurseur synthèse : hormones sexuelles et vitamine D

d) les acides nucléique : ADN & ARN
Introduction :
Séquence en acides aminés d’une protéine est donnée par information génétique portée par ADN (acide désoxyribonucléique)
Transmission d’information génétique :

ADN -> ARN -> protéine

· Composé biochimique :

Polymères de nucléotides :
Chaque nucléotide se compose :
-une base azotée
-un pentose (sucre a 5C)
-un groupement phosphate

Sucre= pentose
-ribose dans ARN
-Désoxyribose dans ADN car un O de moins dans Ribose

· La double hélice d’ADN
ADN : 2 chaînes de polynucléotides enroulées en spirale autour d’un axe imaginaire pour former une double hélice (modèle proposé par Watson et Crick en 1953).
Squelettes de pentose-phosphate se trouvent sur les bordures extérieures de l’hélice
Bases azotées se font face à l’intérieur s’apparient par complémentarité exclusive (A avec T 2 liaisons H : G avec c 3 liaisons H).
Orientation antiparallèle des brins (5’ ->3’)

· Les dérivés des nucléotides

Nucléotides polyphosphates dont hydrolyse liaisons p libèrent quantité d’énergie relativement élevée
exemple : ADP et surtout ATP (adénosine triphosphate)

e) Glycoconjugués, vitamines et oligoéléments
Glycoconjugués : molécules ayant une partie oligosaccharide ex. : glycoprotèine, glycolipides
Vitamines : substances organiques indispensable en infime quantité à la croissance et au bon fonctionnement de l’orgarnisme
Oligo-éléments : éléments chimique néccessaire



CONCLUSION :
Macromolécules et diversité des êtres vivants
-Dans cellule de mammifère de 20000 à 30000 protéines différentes.
-Grand nombre molécules varie d’un tissu à un autre dans un même organisme
-Différences entre individus variations des macromolécules : l’ADN et protéines.
-Diversité molécules organiques tends vers l’infini

III. Organisation de la cellule Eucaryote

Cellule eucaryote ( vrai noyau =ADN contenu dans une enveloppe) ex. plantes, animaux, unicellulaires amibes, microalgues

Caractéristique :
-Taille moyenne de 10 à 100µm
-Entourée de membrane plasmique
-Noyau contient matériel génétique
-Cytoplasme : siège activité celllulaire
-Organites assurent les différentes fonctions

1) La Membrane Plasmique
bicouche lipidique

· Lipides 50% poids sec (phospholipides + cholestérol) cholestérol 30 à 50% lipides totaux – rigidification

· Protéines : jusqu’à 50% poids sec : variable selon type cellulaire et région membrane

Propriété essentielle : perméabilité sélective

On distingue :
-protéines intrinsèques ou internes et protéines extrinsèques ou périphériques
protéines intrinsèques peuvent être transmembranaires et possèdent un domaine hydrophobe enchâssé à l’intérieur de la bicouche

Fonction des protéines : transport de substances, enzymes récepteurs
-glycolipides : exclusivement sur feuillet externe (feuillet = demi membrane)

-déplacement des lipides :
a- horizontalement dans un même feuillet
b- rotation sur eux-mêmes
c-basculement d’un feuillet à l’autre (flip-flop : mouvement rare)

Mosaïque fluide modèle Sanger et Nicholson (1972)

2) Le Cytosol ou hyaloplasme
Cytosol = cytoplasme moins les organites
-Matrice fluide : eau 85%
-Synthèse des protéines
-Acides aminées
-Systèmes enzymatiques
-Protéines filamenteuses : cytosquelette
-Produits du métabolisme : glycogène (stockage)

3) Les organites cellulaires
Organite : élément cellulaire différencié, limité par une membrane lipoprotéinique simple ou double, et assurant une fonction déterminée.

Forment compartiments qui permettent la séparation des différentes activités biologiques.

Nom de l’organite	Fonctions
Noyau	Contient ADN support de l’information génétique
Réticulum endoplasmique (RE)	Permet synthèse protéines
Appareil de golgi	Trie protéines et les envoie vers leurs destination finale via vésicules
Mitochondries	Fabrication énergie cellulaire ou ATP
Vésicules	Transport de substance dans la cellule

a. Le Noyau

· Contient l’ADN

Cellule : un noyau, plusieurs noyaux cellules musculaires ou myocytes, hématies pas de noyau.
Forme sphérique ou ovoïde, un tiers volume cellulaire

· Constituants du noyau

Enveloppe nucléaire : double membrane
nucléoplasme : enzymes métabolisme acides nucléiques, chromatine, nucléole : régions : gènes ARN ribosomiaux

Chromatine : ADN + protéine liaisons u histones (octomamères protéiques) : nucléosome (140 pb)
molécule d’ADN structure en « collier de perle »
brin d’ADN internucléosomique (40pb)
eu et hétérochromatine
euchromatine : chromatine génétiquement active (gènes)
hétérochromatine : chromatine génétiquement inerte

Lamina : réseau protéines fibrillaires sur membrane interne enveloppe nucléaire

Pores : 25 à 30 nm de diamètre – 5 à 30% de la surface nucléaire

Echanges nucléo-cytoplasmiques :
-protéines nucléaires (enzymes, histones), nucléotides : fabriqués cytoplasme -> noyau ;
-ARN synthétisés noyau -> cytoplasme

b. Réticulum endoplasmique
Réseau de membranes intracellulaires, ramifié ou réticulé
cavités aplaties communiquant entre elles réseau tridimensionnel
ensemble cavités ou citernes dilatées, membrane 5 à 6 nm
REL : réticulum agranulaire
REG : surface des ribosomes (ergastoplasme)

Ribosomes : éléments fonctionnels intracellulaires (protéines + ARNr) catalysent traduction ARNm en chaînes polypeptidiques

· Ribosomes libres ou liés au REG (face hyaloplasmique)
ribosomes REG : protéines sécrétées ou intrinsèques
ribosomes libres : protéines cytoplasmiques

· Plusieurs ribosomes traduction simultanée ARNm : polyribosomes ou polysomes

· Fonctions REG :
synthèse et sécrétion : protéines et glycoprotéines

N – Glycosylation : accrochage dans la lumière du REG de motifs glucidiques sur l’azote porté par l’asparagine dans la séquence Asparagine-X-Sérine ou Thréonine.

Transfert de l’oligosaccharide sur la protéine
Le N-Glycosylation est un processus Co-traductionnel.

è Structure REL : réseau canaux ou tubules contournés

è Fonction REL : synthèse composants lipidiques lipoprotéiques, glycolipides, phospholipides membranaires.

Détoxication : transformation molécules dangereuses en substances non toxiques plus facilement éliminables.
Synthèse des stéroïdes, hormones sexuelles.

Conclusion :

-RE réseau système circulation intracellulaire
-Synthèses stockage, transport protéines et lipides
-extensions RE variable selon type cellulaire et état physiologique.

c. Appareil de Golgi

Ensemble de cavités aplaties limitées par une membrane

Saccules (citernes) empilés par groupes 4 ou 5 bords dilatés

Appareil de Golgi :
Ensemble dictyosomes et vésicules intracellulaire

Empilements entourés de vésicules (bourgeonnement)
Empilements = dictyosomes

Localisé près du noyau

Structure :
Face cis (convexe) : face formation tournée vers REG appareil de golgi et REG en relation par vésicules.

Polarité morphologique correspond à polarité fonctionnelle

Face Trans (convace) : maturation
Dictyosomes communiquent entre eux par vésicules de transition

d. Lysosomes, vésicules et transport vésiculaire

Transport vésiculaire : particules et grosses molécules ne peuvent franchir la membrane plasmique donc transport par vésicules.

Transport
Partant de la membrane : endocytose. Fusionnant avec la membrane : exocytose
Transport actifs

Vésicules :
Emballage temporaire substances transportées dans cellule.

Endocytose liquide = pinocytose vésicule de moins de 150 µm.

Lysosome : (dissolution et corps)
Organites de 0.05 à 0.5µm de diamètre, membrane unique.
Contenu très riche enzymes digestives : hydrolases acides
Systèmes de digestion intracellulaire métabolise : substances absorbées ou constituants inutiles
Lysosomes = estomacs cellulaires

Après digestion corps résiduels de digestion intracellulaire

Endosome : internalisation de matériel extracellulaire – fusionne avec lysosomes contenu digéré = corps résiduel

e. Mitochondries

Structure
Longueur : 2 à 7 µm largeur 0.5 à 1 µm

2 membranes : externes (7-8nm)
Interne (6nm)
espace inter membranaire (8 – 10 nm)

è Membrane interne : replis ou crêtes perpendiculaires grand axe – augmentation surface membranaire

è Recouverte particules globulaires (8nm) pédicellées ATP ases

è Matrice contient : ADN, ribosomes

Fonctionnement :

Etape 1 : le glucose est transformé en acide pyruvique ou pyruvate dans la cytoplasme par la glycolyse.

Etape 2 : l’acide pyruvique pénètre dans la mitochondrie où il subit le cycle de Krebs ou cycle de l’acide citrique (suite complexe de réactions)

Etape 3 : Le cycle de Krebs génère la formation de transporteurs d’électrons et de protons (H+)

T-> TH₂

-T = transporteur
-TH₂ transporteur ayant pris en charge des électrons et des protons.

Etape 4 : les transporteurs formés se dirigent vers les crêtes mitochondriales. Celles-ci contiennent les protéines de la chaîne respiratoire (protéines localisées dans la membrane interne).

Ces protéines arrachent les électrons et les protons aux transporteurs. Les protéines de la chaîne respiratoire se passent successivement les électrons ce qui produit de l’énergie. A cette étape de l’O₂ est utilisé (accepteur final des électrons). C’est la respiration cellulaire.

Etape 5 : L’énergie produite dans l’étape 4 permet aux protons H+ de pénétrer dans l’espace intermembranaire où ils s’accumulent.

Etape 6 : Les protons retournent dans la matrice en passant à travers de grosses protéines les ATP synthétase ou ATP synthase qui permettent la fabrication d’ATP (ADP+ P donne ATP). L’ATP est la molécule énergétique de la cellule.

4) Les autres éléments cellulaires

Le cytosquelette ou squelette cellulaire.

Réseau intracellulaire fibres protéiques : soutient cellule, ancre organites, dirige mouvements, changement de forme, déplacement, transport substances dans cytosol. Echafaudage Tridimensionnel dynamique

3 catégories fibres protéiques selon taillé filaments
-microfilament (5 nm diamètre) : actine – contrôle forme cellulaire
-Filaments intermédiaires (10nm diamètre) : kératine, vimentine, desmin, larmines nucléaires, protéines neurofilaments, protéines fibrillaires gliale acide
positionnement et distribution organites
-microtubules (25nm) diamètre) : tubes rectilignes, polymères tubulines alpha et beta

a. Les microfilaments :

actine 1 à 5% des protéines cellulaires, 20% dans le muscle.

Actine F, forme polymérisés actine G, Actine f associations en hélice 2 chaînes monomériques protéines

b. Filaments intermédiaires :
diamètres intermédiaires (8 – 10 nm)
association dimères en tétramères antiparallèle tétramères : long cylindre creux.

c. Les microtubules

Propriété essentielle : instabilité dynamique

Les structures microtubulaires stables : centrioles et diplosome cils, flagelles, microvillosités
Deux types :
Formes stables : structures complexes très organisées : centrioles flagelles
formes transitoires : fuseau de division lors de la mitose/méiose

Formation des microtubules : dimères tubulines formation protofilaments – 13 protofilaments = un microtubule
Extrémité (+) association et dissociation moins rapide dimères tubulines.

-centrioles : structure cylindrique (0.4µm long – 0.2µm large), constitué : 9 groupes ou triplets de 3 microtubules associés ayant en commun 3 protofilaments
Centriole entouré matériel péricentriolaire : pool dimères tubulines libres.

-diplosome « corps double » :
2 centrioles perpendiculaires,
division cellulaire accélère polymérisation tubuline, favorise construction fuseau mitotique/méiotique.

-cil : court appendice cellulaire spécialisé locomotion : anneau de 9 doublets microtubules atour de 2 microtubules centraux dans un prolongement membrane plasmique.

-flagelle : définition identique à celle d’un cil mais long appendice cellulaire

-microvillosité : expansion cytoplasmique