Fiche de révision : Organites et noyau cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Cellule et théorie cellulaire
2. Caractéristiques du vivant et des eucaryotes
3. Microscopes et pouvoirs de résolution
4. Structure et composition cellulaire
5. Organisation des cellules et compartimentation eucaryote
6. Structure, composition et fluidité membranaires
7. Observation par cryofracture
8. Structure, fonctions et enzymes lysosomales
9. Organisation et rôles du cytosquelette
10. Fonctions du noyau et organisation nucléaire
11. Ribosomes et synthèse protéique
12. Système endomembranaire et réticulum endoplasmique
13. Appareil de Golgi
14. Mitochondries
15. Peroxysomes

📅 Repères chronologiques

1. 1838Matthias Schleiden suggère que tous les tissus végétaux sont constitués de cellules.
2. 1839Théodore Schwann conclut que les tissus animaux sont constitués de cellules.
3. 1858Rudolf Virchow énonce que toute cellule dérive d’une cellule préexistante, selon le principe « omnis cellula e cellula ».

📖 1. Cellule et théorie cellulaire

★ À maîtriser

• La théorie cellulaire pose que tout être vivant est constitué d’une ou plusieurs cellules, que la cellule est l’unité fondamentale de la vie et que toute cellule provient d’une cellule préexistante.

• Dans la hiérarchie de l’organisation biologique, la cellule est le premier niveau capable de vie.

Compléments

• Robert Hooke a inventé le mot « cellule » en 1665 après avoir observé au microscope les compartiments réguliers du liège.

💡 Astuce mémo

Schleiden (1838), Schwann (1839), Virchow (1858) : des tissus aux cellules, puis l’origine des cellules.

📖 2. Caractéristiques du vivant et des eucaryotes

★ À maîtriser

• Les cellules eucaryotes possèdent un noyau délimité par une enveloppe nucléaire et renferment des organites dans le cytoplasme.

• Les êtres vivants sont constitués d’une ou plusieurs cellules, sont organisés, répondent aux stimuli, croissent et se reproduisent, utilisent de l’énergie, maintiennent relativement stable leur milieu intérieur et s’adaptent à leur environnement.

Compléments

• La taille des cellules varie généralement de 1 à 100 μm.

• À l’exception des Protistes unicellulaires, les eucaryotes sont pluricellulaires et peuvent compter plusieurs cellules, voire des milliers, des millions ou des milliards de cellules.

• En raison de leur petite taille, les cellules ne sont généralement pas visibles à l’œil nu et leur observation nécessite un microscope, sauf certaines cellules végétales de grande taille.

📖 3. Microscopes et pouvoirs de résolution

★ À maîtriser

• Le microscope optique inversé avec contraste de phase permet d’observer sans coloration des cellules vivantes adhérentes cultivées en boîte, ainsi que leur morphologie, leur croissance et leur confluence.

• Le pouvoir de résolution indiqué pour le microscope optique est de 0,2 μm, limite liée à la longueur d’onde de la lumière visible utilisée pour éclairer la préparation.

Compléments

• Le microscope à contraste de phase rend contrastés des objets transparents sans utiliser de colorant.

• Le microscope à fluorescence détecte la lumière émise par des substances fluorescentes après leur excitation.

• Le microscope électronique à balayage (MEB) possède un pouvoir de résolution de quelques nanomètres.

📖 4. Structure et composition cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Le plus petit élément capable de vie, délimité par une membrane plasmique et capable de produire d’autres cellules.

★ À maîtriser

• La membrane plasmique délimite la cellule animale, dont le cytosol semi-fluide contient le cytosquelette, divers organites et d’autres structures.

• Une cellule est constituée majoritairement d’eau, à hauteur d’environ 80 %.

• La composition chimique élémentaire de la cellule comprend 50 % de protéines, 15 % d’hydrates de carbone, 15 % d’acides nucléiques, 10 % de lipides et 10 % d’autres composés, notamment des sels minéraux sous forme d’ions.

Compléments

• Certaines cellules animales possèdent des microvillosités, tandis que certains eucaryotes, notamment des Protistes, possèdent des flagelles participant à la mobilité ou des cils aux fonctions diverses.

• La cellule animale comprend deux régions principales : le noyau et le cytoplasme, où baignent notamment l’appareil de Golgi, le réticulum endoplasmique et les mitochondries.

📖 5. Organisation des cellules et compartimentation eucaryote

★ À maîtriser

📌 Chez les eucaryotes, l’ADN est dans le noyau, associé à des protéines ou histones et organisé en chromosomes ; chez les procaryotes, l’ADN forme une région chromosomique appelée nucléoïde, associée à certaines protéines.

📌 Le cytoplasme eucaryote est riche en organites et possède un système membranaire, tandis que le cytoplasme procaryote est un fluide aqueux contenant notamment des ribosomes, des nutriments, des ions, des enzymes et des produits métaboliques, mais dépourvu de système membranaire.

• Les cellules eucaryotes sont compartimentées par un réseau de membranes intracellulaires qui délimitent des organites et participent directement au métabolisme, notamment par les enzymes enchâssées dans ces membranes.

• Chaque compartiment cellulaire constitue un microenvironnement où des processus incompatibles peuvent se dérouler simultanément.

Compléments

• Les cellules eucaryotes peuvent être haploïdes (n chromosomes), diploïdes (2n chromosomes) ou polyploïdes.

• Chez les bactéries, l’information génétique comprend un chromosome circulaire et des plasmides, et une bactérie peut contenir plus d’une copie de son chromosome.

• Chez les bactéries, des caractères importants comme la résistance aux antibiotiques peuvent être portés par des portions extra-chromosomiques appelées plasmides.

• La division cellulaire eucaryote se fait par mitose donnant des cellules 2n ou par méiose donnant des cellules n.

💡 Astuce mémo

Noyau délimité chez l’eucaryote, nucléoïde sans enveloppe chez le procaryote.

📖 6. Structure, composition et fluidité membranaires

★ À maîtriser

• La membrane plasmique est une barrière semi-perméable, très mince, d’environ 7 à 8 nm d’épaisseur, et très flexible.

• La membrane plasmique maintient l’intégrité cellulaire en évitant la fuite des éléments internes, tout en permettant la communication avec l’extérieur et en contrôlant les échanges.

• La membrane plasmique comprend une double couche de lipides amphipathiques, avec une tête hydrophile et une queue hydrophobe.

• Les phospholipides et les protéines peuvent se déplacer dans la bicouche lipidique, notamment par flexion et rotation des phospholipides.

Compléments

• La membrane plasmique individualise les cellules, contribue à la morphologie et à la cohésion tissulaire, et permet les contacts cellulaires ainsi que les jonctions intercellulaires, notamment les desmosomes, les jonctions serrées et les jonctions communicantes.

• Les rôles membranaires cités comprennent :

  • l’adhésivité au substrat
  • l’agglutination
  • la biomotilité
  • les réactions immunologiques
  • les échanges cellulaires
  • l’endocytose par pinocytose ou phagocytose
  • l’exocytose
  • les transports transmembranaires

• Les phospholipides sont constitués d’un glycérol lié à deux acides gras et à un groupe phosphate, lequel peut fixer une autre molécule comme la choline.

• La phosphatidylcholine est un phospholipide fréquent dans les membranes.

• Les membranes contiennent aussi du cholestérol, des glycolipides représentant environ un dixième des hydrates de carbone membranaires, des glycoprotéines et un glycocalyx sur la surface externe.

• Les deux feuillets membranaires présentent une distribution asymétrique de divers phospholipides, et les flippases participent à cette organisation.

💡 Astuce mémo

Une palissade mobile : têtes hydrophiles dehors, queues hydrophobes dedans

📖 7. Observation par cryofracture

🔑 Notions clés & Définitions

• Cryofracture : Technique d’observation des surfaces en microscopie électronique, après congélation puis fracture de l’échantillon.

📝 Points essentiels

• 🔄 La cryofracture suit ces étapes :

  1. Congeler l’échantillon.
  2. Briser l’échantillon avec une lame ou un dispositif équivalent.
  3. Laisser la fracture suivre les plans de moindre résistance pour révéler l’organisation interne.

• Après cryofracture et réplique de surface, les protéines membranaires apparaissent en microscopie électronique comme des structures globulaires denses aux électrons, avec une ombre projetée en forme de cône blanc.

💡 Astuce mémo

Congeler → fracturer au plan faible → répliquer et observer

📖 8. Structure, fonctions et enzymes lysosomales

🔑 Notions clés & Définitions

• Lysosome : Vésicule membranaire contenant des enzymes capables de digérer des particules étrangères ou des éléments intracellulaires non fonctionnels.

★ À maîtriser

• Les lysosomes sont des organites sphériques de 0,1 à 1 μm de diamètre, entourés d’une membrane simple, contenant plus de 50 enzymes hydrolytiques et présentant un pH interne d’environ 4,5 à 5.

📌 L’hétérophagie dégrade du matériel provenant de l’extérieur, tandis que l’autophagie dégrade des organites vieillissants ou endommagés et des protéines mal repliées.

• Les hydrolases lysosomales sont synthétisées dans le RER, reçoivent dans le Golgi un marqueur mannose-6-phosphate (M6P), puis sont transportées vers les lysosomes.

• Les cathepsines B, D et L sont des protéases lysosomales qui dégradent les protéines intracellulaires et extracellulaires.

• Les hydrolases lysosomales fonctionnent de manière optimale à un pH d’environ 5.

• La pompe H⁺-ATPase maintient l’acidité lysosomale en transportant des protons vers l’intérieur du lysosome et en consommant de l’ATP.

Compléments

• Les lysosomes dérivent du réticulum endoplasmique rugueux, où sont synthétisées leurs enzymes, et de l’appareil de Golgi, qui assure leur maturation et leur adressage avant la formation des lysosomes primaires.

• Lors de l’hétérophagie, un macrophage peut phagocyter une bactérie puis fusionner le phagosome avec un lysosome.

• Les produits de dégradation réutilisés comprennent :

  • les acides aminés
  • les nucléotides
  • les sucres
  • les lipides

• La lipase acide lysosomale hydrolyse les triglycérides et les esters de cholestérol.

• Les glycosidases lysosomales dégradent :

  • les glycolipides
  • les glycoprotéines
  • le glycogène

• Les nucléases lysosomales comprennent la DNase II et la RNase lysosomale, qui dégradent les acides nucléiques.

• La phosphatase acide retire des groupes phosphates de nombreuses molécules et constitue un marqueur classique des lysosomes.

💡 Astuce mémo

Pompe H⁺-ATPase → acidité optimale pour les hydrolases

📖 9. Organisation et rôles du cytosquelette

★ À maîtriser

• Le cytosquelette comprend les microfilaments d’actine d’environ 7 nm de diamètre, les filaments intermédiaires d’environ 10 nm et les microtubules d’environ 25 nm.

• Les microfilaments sont formés de deux brins torsadés d’actine et peuvent constituer des faisceaux contractiles appelés fibres de tension, situés sous la membrane plasmique.

• Les protéines des filaments intermédiaires varient selon le type cellulaire :

  • kératine dans les kératinocytes
  • desmine dans le muscle
  • neurofilaments dans les neurones

• Les microtubules participent au soutien et à la forme tridimensionnelle de la cellule, aux mouvements intracellulaires et cellulaires, au mouvement des cils et à la séparation des chromosomes pendant la mitose.

Compléments

📌 Le desmosome ancre entre elles les réseaux de filaments intermédiaires de deux cellules, tandis que l’hémidesmosome les ancre à la matrice extracellulaire.

• Les microtubules sont des tubes formés de sous-unités de tubuline α et β disposées côte à côte.

• Les microtubules forment des rails intracellulaires le long desquels les kinésines et les dynéines transportent des organites et des vésicules.

• Les drogues anti-mitotiques citées sont :

  • la vinblastine
  • la vincristine
  • le taxol

💡 Astuce mémo

Actine contractile, microtubules en rails, filaments intermédiaires résistants

📖 10. Fonctions du noyau et organisation nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléole : Structure nucléaire non membranaire spécialisée dans la synthèse des ARN ribosomiques et l’assemblage des sous-unités ribosomiques.

★ À maîtriser

• Le noyau contient l’ADN, support de l’hérédité, sous forme de chromosomes et en assure le transfert lors de la division cellulaire.

• Le noyau régule les activités cellulaires et est présenté comme le centre de commande de la cellule, notamment en lien avec la synthèse des protéines.

• Le noyau est le centre de commande de la cellule et l’organite caractéristique le plus visible des cellules eucaryotes.

• L’enveloppe nucléaire est constituée de deux membranes et comporte des pores nucléaires.

Compléments

• Certaines cellules hépatiques et musculaires sont plurinucléées.

• Les hématies des vertébrés sont anucléées, car elles perdent leur noyau pendant leur différenciation.

• Le noyau est généralement unique, délimité par une membrane nucléaire, occupe environ 10 % du volume cellulaire et mesure en moyenne 10 μm.

• L’intérieur du noyau comprend de l’euchromatine, de l’hétérochromatine et un nucléole qui peut être décentré.

• Un nucléole volumineux est souvent associé à une activité intense de synthèse protéique, et les nucléoles sont hypertrophiés et facilement visibles dans de nombreuses cellules cancéreuses.

📖 11. Ribosomes et synthèse protéique

★ À maîtriser

• Les ribosomes sont le siège de la synthèse des protéines, appelée traduction.

Compléments

• Les ribosomes se trouvent majoritairement sur le réticulum endoplasmique rugueux et sur la membrane externe du noyau.

• Un ribosome mesure environ 20 nm et apparaît comme un point noir sur le réticulum endoplasmique rugueux en microscopie électronique à transmission.

• Les ribosomes peuvent être :

  • associés à une membrane
  • libres dans le cytosol
  • présents dans la matrice mitochondriale

📖 12. Système endomembranaire et réticulum endoplasmique

🔑 Notions clés & Définitions

• Réticulum endoplasmique : Réseau interne continu de membranes formant un système de canaux à travers la cellule et organisant le transport des substances entre les organites.

★ À maîtriser

• Le système endomembranaire comprend, dans l’ordre indiqué :

  • l’enveloppe nucléaire
  • le réticulum endoplasmique rugueux ou lisse
  • l’appareil de Golgi
  • les endosomes
  • les lysosomes
  • les vésicules de transport et de sécrétion
  • la membrane plasmique

• Les compartiments du système endomembranaire coopèrent dans la synthèse, la maturation, le tri et le transport des protéines et des lipides.

📌 Le RER porte des ribosomes et assure la synthèse, le repliement et la maturation initiale des protéines, tandis que le REL ne porte pas de ribosomes et synthétise des lipides, dont le cholestérol, les hormones stéroïdiennes et les phospholipides.

Compléments

• Le réticulum endoplasmique est directement relié à la double enveloppe nucléaire et assure une relation entre le noyau et le cytoplasme.

• Le RER participe au transport des protéines vers l’appareil de Golgi et concerne notamment les protéines sécrétées et membranaires.

• Le REL participe à :

  • la détoxification par le CYP450
  • le stockage du Ca²⁺
  • la synthèse des stéroïdes

• La N-glycosylation est une modification post-traductionnelle.

💡 Astuce mémo

RER avec ribosomes et protéines ; REL sans ribosomes et spécialisé dans les lipides

📖 13. Appareil de Golgi

🔑 Notions clés & Définitions

• Appareil de Golgi : Constitué de membranes aplaties et empilées, appelées citernes ou saccules, dont se détachent des vésicules contenant des protéines.
• Dictyosome : Pile de saccules de l’appareil de Golgi.

📝 Points essentiels

• L’appareil de Golgi comprend un nombre variable de dictyosomes reliés entre eux par des canaux, et certaines cellules spécialisées peuvent en compter plusieurs centaines.

💡 Astuce mémo

Des piles d’assiettes aplaties (citernes) d’où bourgeonnent des vésicules

📖 14. Mitochondries

★ À maîtriser

• Les mitochondries sont responsables de la respiration cellulaire et constituent les centrales énergétiques de la cellule.

Compléments

• La membrane interne des mitochondries forme de nombreux replis caractéristiques appelés crêtes mitochondriales.

• Le nombre de mitochondries dans une cellule donne une indication de son activité.

• Les mitochondries mesurent en moyenne 1 à 2 μm de long et 0,5 à 1 μm de large, tandis que les formes globulaires peuvent mesurer 0,5 à 1 μm de diamètre et les formes filamenteuses atteindre 10 μm de long.

• Une mutation d’un gène de l’ADN nucléaire ou mitochondrial perturbant les fonctions mitochondriales peut entraîner une myopathie mitochondriale, avec difficultés à l’exercice physique, fatigue, faiblesse musculaire et symptômes neurologiques variables.

💡 Astuce mémo

Une centrale énergétique parcourue de replis internes, les crêtes

📖 15. Peroxysomes

★ À maîtriser

• La catalase du peroxysome détoxifie le peroxyde d’hydrogène potentiellement toxique en le transformant en eau et en oxygène selon la réaction $2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2$, ce qui protège la cellule du stress oxydatif.

• Le peroxysome réalise la β-oxydation des acides gras à très longue chaîne et complète ensuite l’action des mitochondries.

Compléments

• Le peroxysome mesure 0,2 à 1 μm, est délimité par une membrane unique et est particulièrement abondant dans les hépatocytes et les cellules rénales.

• Le peroxysome ne fait pas partie du système endomembranaire classique.

• Le peroxysome synthétise des plasmalogènes, constituants importants de la myéline, ainsi que certains lipides membranaires spécialisés.

📌 La voie classique de biogenèse des peroxysomes repose sur la croissance et la division d’organites préexistants, tandis que la voie alternative forme de nouveaux peroxysomes à partir du réticulum endoplasmique et des mitochondries en l’absence de peroxysomes antérieurs.

💡 Astuce mémo

La catalase décompose H₂O₂ → eau et oxygène, protégeant la cellule du stress oxydatif