Fiche de révision : Membranes et cellules

Plan du Cours

  1. Cellule et histoire de la cytologie
  2. Évolution, taille et composition cellulaire
  3. Structures et organites cellulaires
  4. Exemples de types cellulaires
  5. Composition des membranes biologiques
  6. Propriétés et différenciations membranaires
  7. Matrices extracellulaires
  8. Échanges à travers les membranes
  9. Communication intercellulaire
  10. Structure des cellules eucaryotes
  11. Structures des procaryotes
  12. Inclusions et capsule bactériennes
  13. Paroi bactérienne et coloration Gram
  14. Flagelles et pili bactériens
  15. Reproduction et transferts bactériens
  16. Organisation et réplication des virus
  17. Microscopes optiques et électroniques
  18. Préparation et observation des échantillons
  19. Détection et séparation cellulaires

1. Cellule et histoire de la cytologie

Notions clés & Définitions

  • Biologie cellulaire : Étude des cellules, de leurs organites, de leurs processus vitaux et des mécanismes de survie, de communication et de mort cellulaire.
  • Cellule : Unité structurale et fonctionnelle de base des organismes vivants, capable notamment de contrôler les échanges, de réaliser un métabolisme, de croître et de se reproduire.

★ À maîtriser

📌 Les cellules sont procaryotes lorsqu’elles n’ont pas de noyau différencié et eucaryotes lorsqu’elles possèdent un noyau différencié.

  • En 1839, Matthias Jakob Schleiden et Theodor Schwann exposèrent que les êtres vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules et que les cellules sont les unités fondamentales des structures biologiques.

Compléments

  • Antoni van Leeuwenhoek observa des « animalcules » grâce à un microscope simple à lentille unique, tandis que Robert Hooke découvrit les cellules et leur donna le nom de cellula.

  • Les premières cellules seraient apparues par abiogenèse il y a au moins 3,7 milliards d’années, mais après la formation de la Terre il y a environ 4,54 milliards d’années, et les cellules eucaryotes dériveraient d’une communauté symbiotique de procaryotes.

2. Évolution, taille et composition cellulaire

★ À maîtriser

  • Les cellules se répartissent en trois grandes catégories :

    • archées
    • bactéries
    • eucaryotes
  • Les tailles moyennes indiquées sont :

    • environ 1 μm pour les bactéries
    • environ 50 μm pour les cellules animales
    • environ 100 μm pour les cellules végétales
  • Une cellule comprend une membrane plasmique entourant un cytoplasme aqueux contenant des protéines et des acides nucléiques, organisés ou non en organites.

Compléments

📐 Formule - 1 mm=1 000 μm1\,\mathrm{mm}=1\,000\,\mu\mathrm{m} et 1 μm=1 000 nm1\,\mu\mathrm{m}=1\,000\,\mathrm{nm}.

  • Les cellules ont des formes diverses, notamment sphériques, ovoïdes, allongées ou incurvées, mais sont construites sur un même modèle général.

  • Les cellules humaines ont généralement un diamètre compris entre 10 et 100 μm, et le corps humain compte de l’ordre de cent mille milliards de cellules.

  • Les globules rouges matures sont dépourvus de noyau et de presque tous les organites, ce qui leur permet d’augmenter la quantité d’hémoglobine qu’ils contiennent.

3. Structures et organites cellulaires

Notions clés & Définitions

  • Membrane plasmique : Structure qui entoure le cytoplasme et sépare le milieu intracellulaire de l’environnement, tout en assurant des échanges sélectifs et la réception de signaux.
  • Ribosome : Complexe d’ARN et de protéines formé de deux sous-unités, qui synthétise des protéines à partir d’acides aminés.

★ À maîtriser

  • Le cytosquelette eucaryote comprend :

    • des microfilaments constitués d’actine
    • des filaments intermédiaires
    • des microtubules constitués de tubuline
  • L’ADN porte l’information génétique et est transcrit en ARN ; l’ARN messager est traduit en protéines avec la participation des ARN de transfert et ribosomiques.

📌 Chez les procaryotes, le matériel génétique est généralement constitué d’un chromosome circulaire situé dans le nucléoïde, tandis que chez les eucaryotes il est réparti en chromosomes linéaires dans le noyau.

  • Le noyau contient les chromosomes et constitue le lieu de réplication de l’ADN et de transcription de l’ADN en ARN ; les ribosomes sont assemblés dans le nucléole.

📌 Le réticulum endoplasmique rugueux porte des ribosomes et synthétise notamment des protéines destinées à être sécrétées ou intégrées à une membrane, tandis que le réticulum lisse participe à la synthèse des lipides et à la détoxification de certains xénobiotiques.

📌 Les lysosomes dégradent des éléments cellulaires endommagés ou inutilisés et des particules ingérées, tandis que les peroxysomes éliminent les peroxydes nocifs.

  • Les mitochondries produisent de l’ATP et du pouvoir réducteur lors de la respiration cellulaire, tandis que les chloroplastes des plantes et des algues produisent des glucides par photosynthèse.

Compléments

  • Chez les eucaryotes, les bactéries et la plupart des archées, la membrane est une bicouche lipidique, tandis que certaines archées possèdent une monocouche d’étherlipides.

  • Le cytosquelette contribue à :

    • maintenir la forme cellulaire
    • positionner les organites
    • réaliser l’endocytose
    • assurer la cytokinèse
    • déplacer des régions du cytoplasme
  • Le génome nucléaire humain comprend 46 molécules d’ADN organisées en 23 paires : 22 paires de chromosomes homologues et une paire de chromosomes sexuels.

  • L’appareil de Golgi réalise des modifications post-traductionnelles des protéines, notamment par glycosylation et phosphorylation.

  • Les parois cellulaires des plantes sont principalement pectocellulosiques, celles des mycètes principalement constituées de chitine et celles des bactéries principalement constituées de peptidoglycane.

  • Les fimbriae bactériens sont constitués de piline et interviennent dans l’adhérence cellulaire ; certains pili participent à la conjugaison bactérienne.

4. Exemples de types cellulaires

★ À maîtriser

  • Le tissu cérébral comprend des neurones qui traitent l’information nerveuse et des cellules gliales qui assurent notamment des fonctions annexes liées au métabolisme cérébral.
  • Le myocarde comprend : des cellules musculaires myocardiques, majoritaires, des cellules nodales, génératrices et conductrices du potentiel d’action, des cellules myocardiques endocrines
  • Les échanges gazeux entre l’air et le sang se déroulent dans les alvéoles pulmonaires, situées aux extrémités des bronchioles.
  • Les leucocytes comprennent :

    • les granulocytes neutrophiles
    • les granulocytes éosinophiles
    • les granulocytes basophiles
    • les lymphocytes B, T et NK
    • les monocytes
  • Les érythrocytes transportent principalement l’oxygène et proviennent de la transformation des réticulocytes.

  • Les entérocytes sont des cellules cylindriques à microvillosités apicales qui absorbent notamment des molécules, des ions, de l’eau et des lipides.

Compléments

  • Dans le cortex cérébral, les cellules gliales sont quatre fois plus nombreuses que les neurones.

  • Les principaux types de cellules gliales sont :

    • les astrocytes
    • les oligodendrocytes
    • les cellules de Schwann
    • la microglie
  • Les cellules endocrines cardiaques, principalement situées dans les oreillettes, sécrètent le facteur natriurétique, qui participe à la régulation de la pression artérielle et du volume sanguin.

  • Les cellules musculaires cardiaques sont des fibres allongées et ramifiées reliées par des disques intercalaires et des jonctions communicantes, formant un syncytium fonctionnel.

  • Les cellules du nœud sinusal génèrent le rythme cardiaque normal, les cellules du nœud atrioventriculaire se prolongent en branches de His et les fibres de Purkinje conduisent l’influx cardiaque.

  • Les thrombocytes sont des fragments de mégacaryocytes de la moelle osseuse qui jouent un rôle important dans la coagulation sanguine.

  • 🔄 Le transport des lipides absorbés suit ces étapes : les lipides absorbés passent par l’appareil de Golgi, ils s’associent à des lipoprotéines pour former des chylomicrons, les chylomicrons gagnent les vaisseaux lymphatiques par la membrane latérobasale

  • Les cellules caliciformes sécrètent du mucus qui lubrifie et protège l’épithélium intestinal.

  • Les cellules de Paneth se situent au fond des cryptes intestinales et sécrètent des peptides antimicrobiens qui protègent les muqueuses des microorganismes pathogènes.

5. Composition des membranes biologiques

Notions clés & Définitions

  • Membrane biologique : Assemblage moléculaire en double feuillet qui sépare des compartiments cellulaires et régule les échanges de matière entre eux.

★ À maîtriser

  • La composition des membranes en poids sec est d’environ :
    • 40 % de lipides
    • 52 % de protéines
    • 8 % de glucides
  • Les phospholipides possèdent une tête hydrophile et une queue hydrophobe ; ils s’auto-organisent en bicouche avec les têtes orientées vers les milieux aqueux.

📌 Les protéines extrinsèques sont situées à l’extérieur de la bicouche et interagissent avec elle par des liaisons faibles, tandis que les protéines transmembranaires traversent les deux feuillets et y sont ancrées de manière stable.

  • Les glucides membranaires sont liés à des protéines ou à des lipides, et les motifs glucidiques de la membrane plasmique sont orientés vers la face extracellulaire, où ils forment le glycocalyx.

Compléments

  • Les glycérophospholipides cités comprennent :

    • la phosphatidylsérine
    • la phosphatidylinositol
    • la phosphatidyléthanolamine
    • la phosphatidylcholine
  • La sphingomyéline est un sphingophospholipide formé notamment par l’association de sphingosine, d’acide gras, d’acide phosphorique et de choline.

  • Le cholestérol est présent dans les membranes des cellules animales, mais absent des cellules végétales et bactériennes ; il représente environ un quart des lipides membranaires et influence la fluidité.

6. Propriétés et différenciations membranaires

Notions clés & Définitions

  • Bordure en brosse : Rassemblement de microvillosités au pôle apical qui augmente la surface d’échange des cellules épithéliales.
  • Intra-digitations : Des replis de la membrane plasmique situés au pôle basal des cellules épithéliales, surtout dans les cellules réalisant des échanges bidirectionnels d’eau et de minéraux avec la matrice extracellulaire.

★ À maîtriser

  • Les phospholipides peuvent former :

    • des monocouches
    • des micelles
    • des bicouches formant des liposomes
  • Les lipides membranaires peuvent effectuer :

    • une rotation
    • une diffusion latérale
    • un flip-flop entre les feuillets
  • Une augmentation de la température fluidifie la membrane ; des chaînes d’acides gras plus courtes et plus insaturées augmentent également sa fluidité.

Compléments

  • La composition lipidique diffère entre les feuillets membranaires ; le cholestérol est présent en quantité équivalente dans les deux feuillets et peut basculer de l’un à l’autre.

  • Les glucides membranaires sont orientés vers l’extérieur de la membrane plasmique et, dans les organites, vers leur lumière.

  • Le cholestérol renforce la solidité et la rigidité membranaires, tandis que les protéines diminuent la fluidité membranaire.

  • Les microvillosités de la bordure en brosse contiennent des faisceaux de microfilaments d’actine parallèles à leur axe, organisés notamment par les villines et les fimbrines.

  • Les microvillosités isolées sont notamment visibles au niveau des polynucléaires, ou leucocytes, lors de la diapédèse.

7. Matrices extracellulaires

Notions clés & Définitions

  • Matrice extracellulaire : Un ensemble de grosses molécules présentes dans les tissus, à l’extérieur des cellules qui les synthétisent et les sécrètent, et qui contribue à l’adhérence, à l’organisation et au soutien des tissus.
  • Fibronectine : Une glycoprotéine ubiquitaire de la matrice extracellulaire qui joue un rôle essentiel dans l’adhésion des cellules à cette matrice.
  • Laminine : Une glycoprotéine spécialisée qui constitue, avec le collagène, un composant majeur de la lame basale.
  • Collagène : Une famille de protéines de la matrice extracellulaire animale, le plus souvent fibrillaires, qui confère aux tissus une résistance mécanique à l’étirement et à la traction.

★ À maîtriser

  • La matrice extracellulaire est constituée principalement de glycoprotéines et de protéines, ainsi que de glycosaminoglycanes chez les animaux et de pectines chez les végétaux.

  • La fibronectine fœtale est normalement détectable dans les sécrétions vaginales jusqu’à 22 SA, disparaît puis réapparaît en fin de grossesse ; sa persistance après 22 ou 24 SA est en faveur d’une menace d’accouchement prématuré.

  • Les fibres élastiques comprennent :

    • l’élastine
    • l’élaunine
    • l’oxytalane
  • Les glycosaminoglycanes et les protéoglycanes forment un gel hydraté qui baigne les cellules.

  • La fixation des intégrines à leurs ligands de la matrice extracellulaire déclenche des cascades de signalisation intracellulaire, notamment les voies Akt et MAPK, qui peuvent conduire à la différenciation, à la prolifération, à la survie ou à la migration cellulaire.

  • La matrice cartilagineuse est riche en protéoglycanes et en collagène de type II, tandis que la matrice osseuse contient principalement du collagène de type I et des sels minéraux, notamment du phosphate de calcium et de l’hydroxyapatite.

Compléments

  • La matrice extracellulaire animale, aussi appelée ciment ou cément intercellulaire, comprend les macromolécules extracellulaires du tissu conjonctif et des autres tissus animaux.

  • Le gène de la fibronectine, FN1, est situé sur le chromosome 2 humain.

  • La fibronectine intervient dans la migration cellulaire embryonnaire, notamment pendant la gastrulation et le développement des neurones, et la rupture de ses interactions avec les intégrines inhibe la migration des cellules mésodermiques lors de la gastrulation des amphibiens.

  • La fibronectine favorise la formation d’un thrombus en se déposant sur une lésion vasculaire, en se fixant à la fibrine et en favorisant l’agrégation plaquettaire.

  • Les laminines 1 et le collagène IV forment un réseau constituant la charpente de la lame basale et assurant le maintien structural et fonctionnel des tissus.

  • Les laminines 5, 6 et 7 situées au niveau des hémidesmosomes participent à la cohésion des cellules épithéliales sur leur face basale et contribuent à déterminer leur polarité.

Astuce mémo

Un maillage de collagène retient des fibres d’élastine, tandis que des GAG remplissent les interstices d’un gel hydrophile.

8. Échanges à travers les membranes

Notions clés & Définitions

  • Transport passif : Le passage d’un ion ou d’une molécule à travers une membrane sans apport d’énergie par la cellule.
  • Transport actif : Le passage d’un ion ou d’une molécule à travers une membrane grâce à un apport d’énergie, notamment pour déplacer des molécules contre leur gradient de concentration.

★ À maîtriser

  • La membrane plasmique délimite le volume cellulaire, contrôle les échanges avec l’extérieur et porte notamment des récepteurs aux signaux extérieurs tels que les hormones.

📌 Un échange membranaire est actif s’il exige une libération d’énergie cellulaire à partir de l’ATP, et passif si la cellule ne fournit pas cette énergie et que le transfert dépend de l’énergie du système physique.

📌 La diffusion simple déplace les molécules selon un gradient de concentration ou un gradient électrique ; dans le cas d’un gradient de concentration, le déplacement s’effectue du milieu le plus concentré vers le moins concentré jusqu’à l’isotonie.

Compléments

  • Les membranes et les matrices extracellulaires délimitent les cellules et constituent des frontières entre milieux extracellulaire et intracellulaire.

  • Le liquide interstitiel, ou milieu intérieur, remplit l’espace entre les capillaires sanguins et les cellules, facilite leurs échanges de nutriments et de déchets, et son surplus est drainé par les capillaires lymphatiques sous forme de lymphe.

  • La membrane plasmique agit comme un filtre laissant passer certaines molécules selon leur gradient de concentration, mais permet aussi des transports utilisant de l’énergie, le passage de lumière et de chaleur ainsi que la transmission d’informations.

  • L’isotonie désigne une concentration en molécules équivalente dans deux milieux.

  • La diffusion facilitée fait traverser la membrane à certaines substances, comme le glucose ou les acides aminés, grâce à une protéine de transport membranaire, dans le sens de leur gradient de concentration.

  • La filtration, particulièrement présente au niveau des vaisseaux sanguins, laisse passer certaines substances, souvent les petites molécules, tout en retenant les plus grosses.

  • Une pompe membranaire peut déplacer une molécule du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique en consommant de l’énergie par transformation de l’ATP en ADP.

Astuce mémo

Passif : suit un gradient sans ATP ; actif : dépense de l’ATP, notamment pour remonter le gradient.

9. Communication intercellulaire

★ À maîtriser

  • Les jonctions gap permettent la communication entre cellules d’un même tissu par l’échange de petites molécules.

  • Les modes de transmission chimique sont : endocrine, paracrine, qui agit localement sur des cellules voisines, autocrine, où la cellule agit comme émettrice et réceptrice, synaptique, où un neurone libère un neurotransmetteur au niveau d’une synapse

  • La réponse cellulaire à un signal comprend l’induction du signal par la cellule signalisatrice, la formation du signal par sécrétion de molécules informatives, son transfert et sa fixation sur des récepteurs spécifiques de la cellule cible, puis la transmission intracellulaire qui produit une réponse.

📌 Les hormones protéiques hydrosolubles ne traversent généralement pas la membrane plasmique et se fixent à des récepteurs membranaires, tandis que les hormones stéroïdes et thyroïdiennes hydrophobes sont transportées dans le sang par des protéines puis peuvent traverser la membrane et se lier à des récepteurs intracellulaires ou nucléaires.

Compléments

  • Les molécules informatives citées comprennent : les peptides, les protéines, les dérivés d’acides aminés, les dérivés d’acides gras, les nucléotides, les stéroïdes, les rétinoïdes, les petites molécules inorganiques comme le monoxyde d’azote

  • L’histamine, dérivée d’acides aminés et libérée par les mastocytes, intervient dans la dilatation des vaisseaux sanguins, tandis que les prostaglandines, dérivées d’acides gras, interviennent dans la contraction des muscles lisses.

  • L’acétylcholine et la noradrénaline sont des neurotransmetteurs du système nerveux central et périphérique, l’enképhaline a une action comparable à celle de la morphine et l’acide gamma-aminobutyrique est un neurotransmetteur inhibiteur du système nerveux central.

  • Les signaux chimiques agissent à très faibles concentrations et leurs récepteurs présentent une grande affinité et une forte spécificité ; différentes isoformes d’un récepteur peuvent varier par leur affinité pour le ligand, la réponse induite et leur capacité de régulation.

📌 Un agoniste se comporte comme le ligand naturel et déclenche une réponse comparable, tandis qu’un antagoniste se fixe au récepteur et inhibe la réponse cellulaire normale ; l’isoprotérénol est un agoniste de l’adrénaline et le propranolol un antagoniste.

10. Structure des cellules eucaryotes

Notions clés & Définitions

  • Cellule eucaryote : Une cellule qui possède un noyau, contrairement à une cellule procaryote, et dont la structure peut être spécialisée selon sa fonction.

★ À maîtriser

  • Une cellule eucaryote type comprend un noyau contenant l’information génétique sous forme d’ADN, un cytoplasme et une membrane plasmique, ainsi que des organites spécialisés.

  • Les mitochondries, présentes dans la majorité des cellules eucaryotes, assurent des réactions de respiration cellulaire conduisant à la production d’ATP.

  • Les plastes sont présents chez les plantes et les algues ; les chloroplastes, présents dans les cellules photosynthétiques, sont le siège de la photosynthèse et possèdent leur propre génome.

  • La mitose produit des cellules filles identiques à la cellule mère, tandis que la méiose comprend d’abord une division réductionnelle puis une division équationnelle et produit des cellules haploïdes.

  • Le cycle cellulaire comprend :

    • G1, phase de croissance cytoplasmique
    • S, phase de duplication de l’ADN
    • G2, phase de préparation à la division
    • M, phase de mitose ou de méiose
    • G0, phase pouvant prolonger l’interphase

Compléments

  • Parmi les rôles des organites et structures cellulaires : les mitochondries produisent de l’ATP, le réticulum endoplasmique participe à la synthèse et à la maturation des protéines, l’appareil de Golgi assure le transit et le stockage des protéines et des lipides fabriqués dans le réticulum, le cytosquelette contribue à la forme cellulaire et à l’organisation interne

  • Le cytoplasme comprend le cytosol aqueux et les éléments cellulaires situés entre la membrane plasmique et le noyau, à l’exclusion de ce dernier.

  • Le réticulum endoplasmique granulaire porte des ribosomes à sa surface, tandis que le réticulum endoplasmique lisse en est dépourvu.

  • Les peroxysomes sont des organites à membrane simple dont les enzymes produisent et décomposent le peroxyde d’hydrogène H₂O₂ ; leur fonction principale indiquée est l’élimination des radicaux libres produits par l’oxygène dans la cellule.

  • Les cellules animales possèdent des lysosomes assurant la digestion intracellulaire grâce à des enzymes et un centrosome constitué d’une paire de centrioles perpendiculaires entourée de matériel péricentriolaire.

  • Un centriole est constitué de 9 triplets inclinés de microtubules.

  • Les cellules végétales mesurent généralement 50 à 250 μm, ont souvent une forme anguleuse et possèdent une paroi pectocellulosique rigide qui protège chaque cellule.

  • La vacuole végétale est un compartiment à membrane simple rempli d’eau et contenant diverses molécules organiques et inorganiques, dont la taille et la forme varient selon les besoins de la cellule.

  • Les plasmodesmes sont des canaux reliant les pores de la paroi cellulaire végétale et permettant la communication entre cellules adjacentes.

Astuce mémo

Le noyau distingue l’eucaryote du procaryote, dont l’ADN reste dans le cytoplasme.

11. Structures des procaryotes

Notions clés & Définitions

  • Procaryote : Un organisme unicellulaire dont la cellule ne possède pas de noyau et dont le matériel génétique se trouve libre dans le hyaloplasme.
  • Plasmide : Un fragment d’ADN double brin distinct du nucléoïde, généralement circulaire, capable de se répliquer de façon autonome et présent chez de nombreuses bactéries.
  • Nucléoïde : Une région de forme irrégulière, non délimitée par une membrane, où est concentré le chromosome bactérien.

★ À maîtriser

  • Les bactéries ne possèdent ni noyau ni organites tels que les mitochondries ou le réticulum endoplasmique, et leur membrane plasmique ne contient pas de cholestérol.

  • La membrane plasmique bactérienne est une bicouche de phospholipides comportant des protéines membranaires et quelques chaînes glucidiques sur sa face externe ; elle contrôle les échanges, contribue à des réactions métaboliques et détecte des signaux environnementaux.

  • Les ribosomes procaryotes, composés de protéines et d’ARN ribosomique et souvent regroupés en polysomes, synthétisent les protéines en traduisant l’information portée par l’ARN messager ; ils diffèrent des ribosomes eucaryotes par leur morphologie et leur composition chimique.

📌 L’existence des mésosomes est discutée : ils pourraient être des zones fragiles de la membrane plasmique déformées par la fixation des échantillons, plutôt que des structures présentes dans les cellules vivantes.

Compléments

  • Le matériel génétique procaryote est généralement constitué d’une unique molécule d’ADN double brin circulaire, non séparée du cytoplasme par une membrane, bien qu’il existe des espèces à chromosome linéaire ou à deux chromosomes.

  • Le cytosol procaryote, ou hyaloplasme, est la phase liquide entre la membrane plasmique et le nucléoïde, où se déroule la majorité des réactions chimiques du métabolisme et qui contient notamment de l’eau, des ions et des protéines.

  • Les plasmides de résistance portent des gènes codant des enzymes qui inactivent ou modifient certains antibiotiques et confèrent une résistance aux bactéries qui les portent.

  • Les plasmides de virulence portent des gènes codant des toxines ou d’autres substances dangereuses, ce qui rend les bactéries plus pathogènes.

  • Les plasmides métaboliques portent des gènes d’enzymes permettant de métaboliser diverses substances, notamment des sucres et des pesticides.

  • Certains plasmides se transmettent d’une bactérie donneuse à une bactérie receveuse par conjugaison bactérienne grâce à des pili sexuels.

  • Chez les bactéries aérobies, les enzymes transporteurs d’électrons semblent se trouver préférentiellement au niveau des mésosomes.

12. Inclusions et capsule bactériennes

Notions clés & Définitions

  • Inclusions cytoplasmiques : Granules de matière organique ou inorganique présents dans le cytoplasme bactérien.

★ À maîtriser

  • La capsule bactérienne dépend des constituants du milieu et est le plus souvent polysaccharidique, parfois protéique.

  • La capsule protège la bactérie de la phagocytose et des agents physicochimiques, constitue un facteur de virulence et facilite son adhésion aux autres êtres vivants.

Compléments

  • Les inclusions organiques bactériennes sont le plus souvent des réserves énergétiques contenant du glycogène ou des lipides.

  • La vacuole gazeuse de nombreuses cyanobactéries leur permet de flotter à la surface.

  • Les inclusions inorganiques peuvent contenir du phosphate et parfois du soufre temporairement emmagasiné par certaines bactéries.

  • La capsule, non colorable par les techniques bactériologiques habituelles, est mise en évidence au microscope optique par une suspension bactérienne dans l’encre de Chine, qui révèle un halo clair en coloration négative.

13. Paroi bactérienne et coloration Gram

★ À maîtriser

  • La paroi bactérienne est une enveloppe rigide et résistante présente chez toutes les bactéries sauf les mycoplasmes ; elle détermine leur forme et empêche leur éclatement sous l’effet de leur forte pression osmotique interne.

  • La paroi des bactéries Gram positives comporte une couche homogène de peptidoglycane de 20 à 80 nm d’épaisseur, située à l’extérieur de la membrane plasmique et traversée par des acides téichoïques qui la relient à cette membrane.

  • La paroi des bactéries Gram négatives comprend une couche de peptidoglycane et une membrane externe de 10 à 20 nm d’épaisseur, séparées de la membrane plasmique par l’espace périplasmique.

Compléments

  • La paroi épaisse des bactéries Gram positives les rend plus résistantes à la déshydratation, aux chocs physiques et aux antibiotiques.

  • La membrane externe des bactéries Gram négatives est une bicouche de phospholipides, porte notamment des porines de transport et est reliée au peptidoglycane par la lipoprotéine de Braun.

  • Le lipopolysaccharide (LPS), présent chez de nombreuses bactéries Gram négatives comme Salmonella, est immunogène et pathogène et s’active lors de la lyse bactérienne.

Astuce mémo

Gram positif : épaisse couche de peptidoglycane ; Gram négatif : membrane externe et périplasme.

14. Flagelles et pili bactériens

Notions clés & Définitions

  • Flagelles : Longs filaments fins constitués de flagelline, attachés sous la membrane plasmique et servant au déplacement de plusieurs sortes de bactéries.
  • Pili : Évaginations de la membrane plasmique situées à la surface de la paroi de nombreuses bactéries ; ils sont nombreux chez les Gram négatives et rares chez les Gram positives.

★ À maîtriser

  • Les pili communs sont courts, rigides et présents à raison de 100 à 200 par bactérie ; constitués de piline polymérisée, ils permettent l’attachement aux cellules eucaryotes, capacité liée au pouvoir infectieux de certaines espèces bactériennes.

Compléments

📌 Les pili se répartissent en pili communs et pili sexuels, qui ont des morphologies et des fonctions distinctes.

15. Reproduction et transferts bactériens

Notions clés & Définitions

  • Conjugaison bactérienne : Échange non sexué d’informations génétiques par transmission de plasmides d’une bactérie donneuse à une bactérie receveuse.
  • Endospore : Structure formée dans le cytoplasme de certaines bactéries Gram positives lorsque les conditions environnementales sont défavorables.

★ À maîtriser

  • 🔄 La scissiparité bactérienne se déroule ainsi :
    1. Réplication de l’ADN.
    2. Allongement de la cellule.
    3. Synthèse d’un septum transversal.
    4. Séparation de deux cellules filles génétiquement identiques.

📌 Les mutations, recombinaisons et transferts horizontaux modifient le génome des procaryotes, mais ne sont pas considérés comme une reproduction.

  • Le transfert d’un plasmide conjugatif comprend la rencontre du donneur et du receveur par le pilus sexuel, le transfert d’un brin avec synthèse de son complément chez le donneur, la synthèse du brin complémentaire chez le receveur, puis la recircularisation du plasmide chez celui-ci.

  • L’endospore permet à la bactérie de survivre en dormance aux conditions défavorables, parfois pendant plusieurs milliers d’années, et constitue une forme de résistance et de dissémination.

Compléments

  • La descendance issue d’une cellule bactérienne forme un clone de cellules génétiquement identiques appelé colonie.

  • Les archébactéries et les eubactéries se multiplient par scissiparité ou parfois par gemmiparité.

  • La protéine ATPase FtsZ intervient parmi les protéines impliquées dans la division bactérienne et est considérée comme un équivalent du cytosquelette bactérien.

  • Dans un milieu propice, une population bactérienne peut doubler toutes les 20 minutes, selon les nutriments, la concurrence, les prédateurs, les bactériophages et les antibiotiques présents.

  • La conjugaison peut propager rapidement les gènes de résistance aux antibiotiques et transférer d’autres résistances, notamment aux métaux lourds, aux radiations et aux bactériophages.

Astuce mémo

Réplication de l’ADN → allongement → septum → séparation des cellules filles.

16. Organisation et réplication des virus

Notions clés & Définitions

  • Virus : Agent infectieux qui ne peut pas se multiplier par division seul et doit utiliser une cellule hôte ; il est donc un parasite intracellulaire obligatoire.
  • Capside : Coque protéique qui entoure et protège l’acide nucléique viral et qui est constituée de sous-unités appelées capsomères.
  • Nucléocapside : Ensemble formé par la capside protéique et le génome viral.

★ À maîtriser

  • Hors d’une cellule vivante, le virus existe sous forme de virion, particule de 15 à 300 nm généralement observable seulement au microscope électronique.

  • Le génome viral est constitué d’une ou plusieurs molécules d’ADN ou d’ARN, jamais des deux simultanément, qui peuvent être simple ou double brin, circulaires ou linéaires ; il comporte de quelques gènes à plus de 1 200.

  • Les virions se classent selon la symétrie de leur nucléocapside en formes icosaédriques, hélicoïdales ou complexes.

  • Le cycle lytique comprend l’adsorption par des récepteurs spécifiques, la pénétration, la décapsidation, la réplication du génome, la synthèse des protéines virales, l’assemblage et l’encapsidation des virions, puis leur libération, qui entraîne la mort de la cellule hôte.

📌 Au cours du cycle lysogénique de certains bactériophages, le génome viral intégré à celui de l’hôte, appelé prophage, ne produit pas de descendance phagique et se transmet aux cellules filles ; dans certaines conditions, comme l’irradiation UV, il se sépare du génome hôte et déclenche le cycle lytique.

Compléments

📌 Les virus enveloppés possèdent une enveloppe acquise lors de la traversée des membranes de la cellule hôte, composée d’éléments cellulaires et viraux, notamment de protéines, de glucides et de lipides ; les virus nus n’en possèdent pas.

  • En 1962, Lwoff, Horne et Tournier ont proposé une classification des virus fondée sur la nature de l’acide nucléique, la symétrie de la nucléocapside et la présence ou l’absence d’une enveloppe.

Astuce mémo

Adsorption → pénétration → décapsidation → réplication et synthèses → assemblage → libération.

17. Microscopes optiques et électroniques

Notions clés & Définitions

  • Fluorescence : Émission lumineuse provoquée par l’excitation d’une molécule, généralement par absorption d’un photon, et suivie immédiatement d’une émission spontanée.

★ À maîtriser

  • Les microscopes optiques utilisent le spectre visible, limitent la résolution à environ 0,2 μm et peuvent atteindre un grossissement de 1 500.

📌 Le microscope optique à fond clair observe des cellules fixées et colorées sur un fond brillant, tandis que le microscope à contraste de phase permet d’observer des cellules vivantes sans préparation ni coloration.

  • Le microscope électronique à transmission (MET) atteint une résolution d’environ 0,2 nm et un grossissement de 20 000 à 1 000 000 fois, permettant l’étude de l’ultrastructure après traitement de l’échantillon.

📌 Le MET transmet sous vide un faisceau d’électrons à travers un échantillon très mince, tandis que le microscope électronique à balayage (MEB) balaie sa surface et détecte les électrons réfléchis pour produire une image en relief.

Compléments

  • La rhodamine absorbe la lumière verte et émet une fluorescence rouge, tandis que la fluorescéine absorbe la lumière bleue et émet une fluorescence verte.

  • Un microscope à fluorescence utilise une source d’excitation, un filtre d’excitation, un filtre d’émission et un oculaire.

  • La résolution du MEB est inférieure à 20 nm.

18. Préparation et observation des échantillons

★ À maîtriser

  • Pour l’observation photonique, les échantillons doivent mesurer 2 à 10 μm d’épaisseur afin de laisser passer la lumière ; les tissus massifs sont débités en coupes histologiques et les cellules peu contrastées sont colorées.

  • La préparation histologique comprend la fixation des cellules, la déshydratation par des bains d’alcools de concentration croissante, l’inclusion dans un milieu durcissable, la coupe fine et la coloration.

  • Pour le MET, seules des coupes ultrafines de 30 à 50 nm peuvent être examinées, et les structures sont contrastées avec des atomes lourds car le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote sont transparents aux électrons.

Compléments

  • Les coupes histologiques mesurent 2 à 10 μm et sont réalisées au microtome ; après inclusion en paraffine, elles sont collées sur des lames, séchées et déparaffinées au xylène ou au toluène.

  • La préparation d’échantillons pour le MET utilise notamment le tétroxyde d’osmium, le glutaraldéhyde ou le permanganate de potassium pour la fixation, puis une déshydratation compatible avec l’inclusion en résine et une coupe à l’ultramicrotome.

  • Le contraste négatif permet d’observer au MET des détails macromoléculaires d’objets très petits et de forme relativement simple, comme les molécules, les virus et des organites isolés.

  • La cryofracture permet d’observer l’intérieur de tissus massifs en fracturant un échantillon congelé rapidement dans l’azote liquide à −196 °C.

19. Détection et séparation cellulaires

Notions clés & Définitions

  • Autoradiographie : Méthode qui localise un composé, estime sa quantité et suit son cheminement cellulaire au moyen d’un traceur radioactif incorporé dans le composé étudié.
  • Immunomarquage : Méthode qui localise précisément un composé et suit son cheminement cellulaire au moyen d’un anticorps dirigé contre ce composé et couplé à un fluorochrome.
  • Ultracentrifugation différentielle : Série de centrifugations à vitesses croissantes destinée à séparer les organites et macromolécules biologiques d’un homogénat en culots et surnageants successifs.

★ À maîtriser

  • Après centrifugation, les grosses particules sédimentent en un culot, tandis que les particules restant en suspension forment le surnageant.

📌 L’ultracentrifugation sur gradient de densité sépare selon leur densité des particules aux vitesses de sédimentation proches ; une particule atteint son niveau d’équilibre lorsque sa densité égale celle du solvant.

Compléments

  • En autoradiographie, les rayonnements du traceur radioactif réduisent les grains de bromure d’argent d’une émulsion photographique en argent métallique.

  • Le choix du métabolite radioactif dépend de l’activité cellulaire étudiée ; un acide aminé radioactif peut servir à suivre la synthèse d’une protéine et un acide nucléique radioactif à étudier la transcription.

  • En autoradiographie, les grains d’argent noirs indiquent la localisation du composé marqué, et leur nombre renseigne sur sa quantité et l’intensité du phénomène étudié.

  • En 1970, Frye et Edidin ont réalisé la première expérience prouvant la fluidité des protéines membranaires par immunomarquage.

  • L’ultracentrifugation sépare des particules biologiques, des petites macromolécules aux grands édifices supramoléculaires ; les rotors peuvent atteindre près de 80 000 tours par minute et des champs de gravité de 500 000 fois la gravité terrestre.

  • Le coefficient de sédimentation, exprimé en unités Svedberg (S), augmente avec la masse ou la densité d’une particule et diminue lorsque sa forme génère davantage de friction.

  • Les organites dont les vitesses de sédimentation sont proches comprennent :

    • Les mitochondries.
    • Les lysosomes.
    • Les peroxysomes.

Tableaux de synthèse

Types de protéines membranaires

TypePositionAncrage
ExtrinsèquesÀ l’extérieur de la bicoucheLiaisons faibles avec la membrane
TransmembranairesTraversent les deux feuilletsAncrage stable par domaines hydrophobes
Ancrées aux lipidesAssociées à des lipides membranairesAncrage par GPI ou acide gras

Matrices extracellulaires spécialisées

MatriceConstituants ou positionRôle ou ancrage
CartilagineuseProtéoglycanes et collagène IIMatrice du cartilage
OsseuseCollagène I, phosphate de calcium et hydroxyapatiteMatrice du tissu osseux
Lame basaleRéseau de collagène IV, à la base des épithéliumsAncrage épithélial par hémidesmosomes

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1. Quel champ d’étude porte sur les cellules, leurs organites, leurs processus vitaux et les mécanismes associés à leur survie, leur communication et leur mort ?

2. Pourquoi la cellule est-elle considérée comme l’unité de base d’un organisme vivant ?

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Qu’étudie la biologie cellulaire, ou cytologie ?

Les cellules, leurs organites et leurs processus vitaux.

Quelle est l’unité structurale et fonctionnelle de base des organismes vivants ?

La cellule.

Qu’est-ce qui distingue une cellule procaryote d’une cellule eucaryote ?

La cellule procaryote n’a pas de noyau différencié, contrairement à la cellule eucaryote.

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