Fiche de révision : Bases de biologie cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la théorie cellulaire
2. Définition et fonctions cellulaires
3. Classes et domaines du vivant
4. Acaryotes et procaryotes
5. Diversité des cellules eucaryotes
6. Organisation de la cellule animale
7. Origine et interactions cellulaires
8. Organismes modèles
9. Échelles et types de microscopie
10. Préparation des échantillons
11. Préparation et coloration en microscopie optique
12. Marquages fluorescents et moléculaires
13. Microscopie électronique
14. Tri cellulaire et cytométrie
15. Sélection magnétique et densimétrique

📖 1. Fondements de la théorie cellulaire

📝 Points essentiels

• En 1665, Robert Hooke observe une mince tranche de liège et nomme « cellules » les petites chambres répétées qu’il distingue.

• Entre 1837 et 1839, Schleiden et Schwann établissent que les cellules sont les unités structurales et fonctionnelles du vivant, respectivement chez les végétaux et les animaux.

📌 Virchow ajoute que la cellule est aussi l’unité reproductrice du vivant, car une cellule peut se reproduire pour donner de nouvelles cellules.

💡 Astuce mémo

Hooke observe → Schleiden et Schwann généralisent → Virchow ajoute la reproduction

📖 2. Définition et fonctions cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité fondamentale du vivant, délimitée par une membrane sélective, autonome de manière limitée, reproductrice et fonctionnelle

★ À maîtriser

📌 Une membrane sélective régule les échanges entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire, et cette sélectivité s’applique aussi à l’enveloppe nucléaire des cellules eucaryotes.

📌 Une cellule possède une autonomie limitée : elle peut se reproduire, capter et transmettre des informations, mais la plupart des cellules ont besoin d’interactions avec d’autres cellules pour maintenir leurs fonctions à long terme.

• Les cellules synthétisent:
  • des acides nucléiques
  • des protéines
  • des glucides
  • des lipides

Compléments

• Les cellules sont principalement constituées de:

  • acides nucléiques
  • protéines
  • lipides
  • glucides

• Les pseudopodes sont des extensions cellulaires formées en réponse à des signaux, qui se remplissent de composants du cytoplasme et du noyau pour déplacer la cellule tandis que l’extrémité opposée se rétracte.

💡 Astuce mémo

Membrane sélective → échanges contrôlés → autonomie fonctionnelle limitée

📖 3. Classes et domaines du vivant

★ À maîtriser

📌 Il existe deux grandes classes cellulaires : les procaryotes et les eucaryotes.

📌 Les procaryotes mesurent environ 1 μm, n’ont pas de noyau ni d’organites, possèdent généralement un chromosome circulaire et se divisent par scissiparité, tandis que les eucaryotes mesurent généralement 10 à 100 μm, possèdent un noyau et des organites, plusieurs chromosomes linéaires et se divisent par mitose ou méiose.

• 🔄 La scissiparité procaryote comprend:

  1. la duplication de l’ADN
  2. l’attachement des copies à la membrane
  3. l’allongement cellulaire
  4. la contraction de la membrane et de la paroi
  5. la formation de deux cellules filles

• Les trois domaines du vivant sont:

  • les eubactéries
  • les archaebactéries
  • les eucaryotes

Compléments

• Les eubactéries seraient apparues il y a environ 3 milliards d’années, les eucaryotes il y a 900 millions d’années et Homo sapiens il y a 500 à 200 000 ans.

• La comparaison des ARN ribosomaux révèle des similitudes entre les trois domaines du vivant, ce qui suggère une origine évolutive commune et s’explique par leur évolution lente.

💡 Astuce mémo

Procaryote sans noyau, eucaryote avec noyau

📖 4. Acaryotes et procaryotes

🔑 Notions clés & Définitions

• Acaryotes : Entités biologiques non vivantes, non autonomes et incapables de se reproduire seules, qui possèdent soit de l’ADN soit de l’ARN

★ À maîtriser

📌 Les acaryotes doivent parasiter une cellule hôte pour vivre et se reproduire, notamment une cellule eucaryote pour les virus ou une cellule procaryote pour les bactériophages.

• Une cellule procaryote possède au minimum:
  • un cytoplasme
  • des ribosomes
  • un nucléoïde
  • une membrane plasmique

Compléments

• La diversité procaryote est illustrée par:
  • Streptococcus sphérique
  • E. coli en bâtonnet
  • Beggiatoa dans les sols sulfureux
  • Mycoplasma genitalium dans les voies génito-urinaires
  • Halobacterium salinarum dans les eaux très salées

💡 Astuce mémo

Acaryote dépend d’un hôte, procaryote possède un métabolisme cellulaire

📖 5. Diversité des cellules eucaryotes

★ À maîtriser

• Les eucaryotes comprennent:

  • les protistes
  • les animaux
  • les végétaux
  • les champignons

• Les protistes comprennent:

  • les protozoaires
  • les levures
  • les algues

📌 Les cellules des organismes multicellulaires ont perdu leur capacité de survie indépendante et se sont spécialisées pour répondre aux besoins de l’organisme.

• Les cellules somatiques d’un même organisme multicellulaire possèdent le même génome et proviennent toutes de l’œuf fécondé, mais elles acquièrent des propriétés différentes par spécialisation.

• Les quatre tissus fondamentaux sont:

  • l’épithélium
  • le tissu de soutien conjonctif
  • le tissu musculaire
  • le tissu nerveux

Compléments

• Les levures ont une nutrition hétérotrophe et une reproduction asexuée, tandis que les algues utilisent la lumière, le CO₂ dissous et les sels minéraux grâce à la photosynthèse et peuvent se reproduire sexuellement ou asexuellement.

• Le nombre total de cellules d’un organisme humain est compris entre 3 et 10 × 10¹³, avec une valeur en réalité plus proche de 3 × 10¹³.

💡 Astuce mémo

Protistes unicellulaires → tissus spécialisés → organes

📖 6. Organisation de la cellule animale

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule animale eucaryote : Cellule délimitée par une membrane plasmique et contenant un noyau, des mitochondries, un réseau endomembranaire, des peroxysomes, un cytosquelette et un cytoplasme

★ À maîtriser

• La membrane plasmique constitue une barrière protectrice et contrôle les échanges entre les milieux intracellulaire et extracellulaire.

• Le noyau renferme tout l’ADN de la cellule et une partie de l’ARN, tandis que les mitochondries assurent la respiration cellulaire et la production d’énergie.

• Le réticulum endoplasmique synthétise les protéines et les lipides, tandis que l’appareil de Golgi modifie certaines de ces molécules et participe à la synthèse de la matrice extracellulaire.

• Le cytoplasme est un milieu aqueux et visqueux constitué du cytosol et des organites, qui sert au stockage, au transit et au siège de réactions métaboliques importantes.

• Le cytoplasme contient environ 85 % d’eau, possède un pH de 7, est quatre fois plus visqueux que l’eau et contient des protéines à une concentration de 200 mg/ml.

• Le cytosquelette détermine la forme cellulaire, organise le cytoplasme et permet la coordination des mouvements cellulaires ainsi que le déplacement des vésicules de transport.

Compléments

• Les lysosomes contiennent des enzymes qui digèrent les macromolécules et assurent aussi leur transformation, tandis que les vésicules de transport assurent des échanges intra- et extracellulaires.

💡 Astuce mémo

Une cellule comme une usine : noyau central, réseau de production et vésicules de transport

📖 7. Origine et interactions cellulaires

★ À maîtriser

• Les mitochondries pourraient provenir d’une endosymbiose au cours de laquelle une cellule eucaryote ancestrale anaérobie a phagocyté une eubactérie aérobie, donnant une cellule eucaryote aérobie.

📌 La communication paracrine s’effectue entre cellules voisines, la communication autocrine agit sur la cellule qui libère le signal et la communication endocrine utilise le sang, notamment pour les hormones.

Compléments

• La phagocytose fait entrer des éléments de grande taille, l’endocytose fait entrer des éléments généralement plus petits et l’exocytose fait sortir des éléments de la cellule.

💡 Astuce mémo

Phagocytose d’une eubactérie aérobie → endosymbiose → mitochondrie

📖 8. Organismes modèles

📝 Points essentiels

• Les organismes modèles et leurs usages sont:
  • Escherichia coli : réplication de l’ADN et synthèse protéique
  • Saccharomyces cerevisiae : division cellulaire
  • Drosophila melanogaster : développement embryonnaire et signalisation
  • Caenorhabditis elegans : apoptose

📌 Une souris knock-out possède un gène totalement supprimé ; si elle reste viable, l’étude des conséquences de cette absence permet de déterminer la fonction du gène invalidé.

💡 Astuce mémo

E. coli–ADN, levure–division, drosophile–développement, C. elegans–apoptose

📖 9. Échelles et types de microscopie

🔑 Notions clés & Définitions

• Microscopie : Méthode d’observation d’éléments trop petits pour être vus à l’œil nu, utilisant notamment la microscopie optique ou électronique

★ À maîtriser

• La résolution théorique de l’œil nu est d’environ 0,1 mm, celle du microscope optique d’environ 0,1 μm et celle du microscope électronique d’environ 0,1 nm ; en pratique, les valeurs sont proches de 0,2 mm, 0,2 μm et 0,2 nm.

📌 Le microscope optique utilise la lumière blanche, grossit jusqu’à ×1000 et possède une résolution pratique de 0,2 μm, tandis que le microscope électronique est environ 1000 fois plus précis.

• Le microscope optique permet principalement d’observer la membrane plasmique, le cytoplasme et éventuellement le noyau, mais pas les organites.

• En microscopie confocale, un laser balaie l’échantillon point par point et plan par plan, puis un logiciel reconstruit une image tridimensionnelle à partir des images obtenues.

Compléments

• La taille moyenne d’une cellule eucaryote est comprise entre 10 et 20 μm ; elle est invisible à l’œil nu, visible au microscope optique et trop grande pour être observée entièrement au microscope électronique.

• En fluorescence, un fluorochrome est excité par une longueur d’onde et émet une longueur d’onde plus grande, selon la relation λémission > λexcitation.

💡 Astuce mémo

MO : membrane et cytoplasme ; ME : organites et ultrastructure

📖 10. Préparation des échantillons

🔑 Notions clés & Définitions

• Fixation : Étape qui fige une cellule à un instant donné de son cycle afin de conserver l’état précis que l’on souhaite observer

📝 Points essentiels

• La préparation d’une coupe pour la microscopie optique commence par la fixation, puis la déshydratation élimine l’eau cellulaire qui perturbe le passage de la lumière.

💡 Astuce mémo

Fixer → déshydrater → réaliser la coupe

📖 11. Préparation et coloration en microscopie optique

🔑 Notions clés & Définitions

• Fixation : Fige une cellule à un instant donné de son cycle afin de conserver l’état exact que l’on souhaite étudier, notamment une phase précise de la division cellulaire.
• Déshydratation : Élimine l’eau de la cellule, car l’eau représente environ 85 % de sa composition et augmente la diffraction de la lumière, ce qui peut brouiller l’image.
• Inclusion : Rigidifie les cellules avant la coupe afin d’éviter leur écrasement et de préserver leur organisation interne ainsi que la répartition des protéines.

★ À maîtriser

• 🔄 La préparation d’une coupe comprend les étapes suivantes:

  1. Fixation
  2. Déshydratation
  3. Inclusion
  4. Coupe
  5. Coloration si nécessaire

• Les principales colorations directes sont:

  • Hématoxyline : noyau et matériel génétique en bleu
  • Éosine : cytoplasme et matrice extracellulaire en rose ou violet
  • Oil Red O : lipides intracellulaires en rouge

Compléments

• Les coupes très fines de quelques micromètres sont réalisées avec un microtome.

💡 Astuce mémo

Fixer, déshydrater, inclure, couper, colorer

📖 12. Marquages fluorescents et moléculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• FISH : Une hybridation in situ utilisant des sondes fluorescentes d’ADN ou d’ARN complémentaires de séquences cellulaires pour détecter des anomalies du nombre ou de la structure des chromosomes.

★ À maîtriser

📌 Le DAPI est un fluorochrome bleu peu perméant qui marque plus facilement l’ADN lorsque les membranes sont dégradées, tandis que le Hoechst est perméant et entre dans la cellule sans dégradation membranaire.

• 🔄 Le marquage indirect à la GFP suit trois étapes:

  1. Insérer dans un vecteur l’ADN de la protéine d’intérêt et le gène de la GFP
  2. Transfecter le vecteur dans la cellule d’intérêt
  3. Traduire une protéine d’intérêt fusionnée à la GFP fluorescente

• En immunocytochimie ou en immunohistochimie, un anticorps couplé à un fluorochrome reconnaît spécifiquement l’épitope de la protéine d’intérêt, puis un lavage élimine les anticorps non fixés avant l’observation de la fluorescence.

Compléments

• La GFP est une protéine fluorescente d’environ 30 kDa, et son ajout peut gêner l’entrée dans le noyau d’une protéine fusionnée qui dépasse alors le seuil approximatif de 50 à 60 kDa.

💡 Astuce mémo

Direct colore directement ; indirect révèle une cible par anticorps

📖 13. Microscopie électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Microscope électronique : Utilise un faisceau d’électrons émis par un filament de tungstène chauffé et focalisé par des bobines magnétiques, dans un environnement sous vide.

★ À maîtriser

• La microscopie électronique nécessite des métaux lourds comme l’acétate d’uranium ou le citrate de plomb pour augmenter le contraste, car le matériel biologique est surtout constitué d’atomes légers diffusant peu les électrons.

📌 Le MET observe l’intérieur de la cellule en deux dimensions, tandis que le MEB observe la surface cellulaire en trois dimensions et ne nécessite pas de coupe.

• Le MET utilise des coupes de 60 à 100 nm et possède une limite de résolution réelle de 0,1 nm, ce qui permet notamment d’observer les organites et les feuillets de la membrane plasmique.

• La microscopie optique utilise des photons, atteint un grossissement d’environ 1 000 et une résolution de 0,2 μm, tandis que la microscopie électronique utilise des électrons, atteint environ 800 000 et une résolution de 0,2 nm.

Compléments

• En MET, un anticorps couplé à de l’or colloïdal permet de localiser une protéine sans utiliser de fluorescence, car l’or est très dense aux électrons.

💡 Astuce mémo

MET : intérieur en 2D ; MEB : surface en 3D

📖 14. Tri cellulaire et cytométrie

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytométrie en flux : Différencie et trie les types cellulaires d’un mélange hétérogène grâce à des anticorps et des fluorochromes analysés lors du passage des cellules dans un tube excité à différentes longueurs d’onde.

★ À maîtriser

• Dans une préparation sanguine, le marqueur CD45 distingue les cellules immunitaires, puis les marqueurs CD11b et CD11c permettent de sélectionner des sous-populations jusqu’à identifier des macrophages alvéolaires.

Compléments

• Le tri cellulaire est peu utilisé en raison de son coût élevé, compris au minimum entre 300 000 et 500 000 euros.

💡 Astuce mémo

Marqueurs fluorescents → identification et tri des cellules

📖 15. Sélection magnétique et densimétrique

★ À maîtriser

• Le tri par billes magnétiques consiste à fixer un anticorps couplé à une bille magnétique sur un antigène de surface, à retenir les cellules avec un aimant, à éliminer les autres cellules, puis à détacher et éluer les cellules d’intérêt.

• 🔄 Le tri par gradient de densité comprend:

  1. Former un gradient de saccharose de concentrations croissantes
  2. Déposer le mélange cellulaire sur le gradient
  3. Centrifuger le tube
  4. Récupérer les cellules séparées selon leur densité

Compléments

• Le tri par billes magnétiques est une technique simple, peu coûteuse et relativement rapide.

• Le gradient de densité est la technique de tri cellulaire la plus simple et la moins coûteuse.

💡 Astuce mémo

Billes magnétiques : anticorps et aimant ; gradient : densité et centrifugation

📊 Tableaux de synthèse

Procaryotes et eucaryotes

Organismes modèles et fonctions étudiées