Fiche de révision : Biologie cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Théorie cellulaire et organisation du vivant
2. Eau et éléments chimiques du vivant
3. Molécules organiques et glucides
4. Lipides et acides gras
5. Protéines et acides aminés
6. Acides nucléiques et nucléotides
7. Compartiments des cellules eucaryotes
8. Organisation générale du noyau
9. Expression et organisation de l’ADN
10. Condensation de la chromatine
11. Nucléole et protéines nucléaires
12. Cytosol et inclusions
13. Réticulum et appareil de Golgi
14. Mitochondries et respiration cellulaire
15. Digestion et recyclage cellulaires
16. Ribosomes et code génétique
17. Cytosquelette

📖 1. Théorie cellulaire et organisation du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité fonctionnelle du vivant, délimitée par une membrane plasmique et contenant plusieurs organites.

★ À maîtriser

• Tout être vivant est constitué d’une ou de plusieurs cellules, ce qui distingue les organismes unicellulaires des organismes pluricellulaires.

• Schwann a établi que tout animal est formé de cellules, Schleiden que tout végétal est formé de cellules, et Virchow que toute cellule provient d’une cellule.

Compléments

• La théorie cellulaire s’est développée en même temps que les techniques de microscopie, car les cellules sont trop petites pour être identifiées à l’œil nu.

• Van Leeuwenhoek avait mis au point dès 1673 des microscopes dotés d’une seule lentille, capables de grossir 200 fois.

• Les cellules peuvent être accolées ou éloignées les unes des autres, et elles baignent dans un milieu extracellulaire liquide contenant une matrice extracellulaire.

📖 2. Eau et éléments chimiques du vivant

★ À maîtriser

• L’eau est le principal constituant des êtres vivants ; un adulte est composé d’environ 60 % d’eau, soit environ 40 kg pour une masse corporelle de 70 kg.

• Chez l’adulte, l’eau corporelle se répartit pour deux tiers dans le compartiment intracellulaire et pour un tiers dans le compartiment extracellulaire.

• Le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote représentent plus de 99 % des atomes de l’organisme.

Compléments

• La membrane plasmique sépare les compartiments intracellulaire et extracellulaire, et l’eau extracellulaire comprend le plasma et le liquide autour des cellules.

• La proportion d’eau dans le corps diminue avec le vieillissement.

• Le carbone et l’hydrogène sont plus abondants dans le vivant que dans le monde minéral, notamment dans la croûte terrestre.

• Le calcium, le phosphore, le potassium, le soufre, le sodium, le chlore et le magnésium représentent 0,7 % des atomes du corps humain.

• Les oligo-éléments cités comprennent :

  • fer
  • iode
  • cuivre
  • zinc
  • manganèse

📖 3. Molécules organiques et glucides

🔑 Notions clés & Définitions

• Glucide : Un glucide est une molécule organique composée de carbone, d’hydrogène et d’oxygène, de formule générale $(CH_2O)_n$ avec $n \geq 3$, et comportant plusieurs groupements hydroxyle.
• Groupement fonctionnel : Association d’atomes rattachée à un squelette organique et qui confère certaines propriétés à la molécule.
• Monomère : Composé constitué de molécules simples et capable de former des polymères.
• Chiralité : Propriété d’une molécule non superposable à son image dans un miroir.

★ À maîtriser

• La polymérisation ou condensation assemble de petites molécules en molécules de masse molaire plus élevée, tandis que l’hydrolyse ou dépolymérisation rompt ces assemblages.

• Les grandes classes de molécules organiques sont :

  • glucides
  • lipides
  • protéines
  • acides nucléiques

• Les glucides servent de source d’énergie, de matériaux de construction des organismes et participent à la reconnaissance entre cellules.

• Les glucides se répartissent en monosaccharides ou oses, oligosaccharides constitués de 2 à 10 monosaccharides, et polysaccharides ou osides constitués de plus de 10 monosaccharides.

Compléments

• Les principaux groupements fonctionnels sont :

  • hydroxyle –OH
  • carboxyle –COOH
  • amine –NH₂
  • phosphate –PO₄

• Les glucides représentent 1 % de la masse corporelle, les lipides 15 %, les protéines 17 % et les acides nucléiques 2 %.

• Les monosaccharides ont une formule brute $(CH_2O)_n$ avec 3 à 7 atomes de carbone : triose pour 3, tétrose pour 4, pentose pour 5, hexose pour 6 et heptose pour 7.

• Les oses comportent plusieurs groupements hydroxyle et un groupement aldéhyde pour les aldoses ou un groupement cétone pour les cétoses.

• Un carbone asymétrique peut rendre une molécule chirale, laquelle possède deux énantiomères images l’un de l’autre dans un miroir.

• Les deux énantiomères d’une substance chirale dévient la lumière polarisée du même angle en sens opposés ; leur mélange à parts égales est un mélange racémique optiquement inactif.

📌 À nombre de carbones égal, les cétoses possèdent un carbone asymétrique de moins que les aldoses.

• Le saccharose est formé de glucose et de fructose, le lactose de galactose et de glucose, et le maltose de deux unités de glucose.

📖 4. Lipides et acides gras

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide gras : Lipide simple composé de carbone, d’hydrogène et d’oxygène, avec une longue chaîne carbonée hydrophobe terminée par un groupement carboxyle hydrophile.

★ À maîtriser

• Les lipides sont riches en carbone et en hydrogène, pauvres en oxygène, insolubles dans l’eau et solubles dans les solvants organiques.

• Les lipides constituent les tissus adipeux, servent de réserve énergétique, composent les membranes cellulaires et certains jouent un rôle hormonal.

• À masse égale, les lipides fournissent deux fois plus d’énergie que les glucides.

📌 Un acide gras saturé ne possède aucune double liaison, tandis qu’un acide gras insaturé en possède une ou plusieurs.

• Les acides gras sont amphiphiles : leur tête carboxylique est hydrophile et leur longue chaîne carbonée est hydrophobe.

• Les phosphoglycérides sont constitués d’un diglycéride, d’un groupement phosphate et d’une molécule polaire, et sont des constituants principaux des membranes cellulaires.

• Dans une membrane, les phospholipides forment une bicouche dont les queues hydrophobes se font face et les têtes hydrophiles sont au contact de l’eau.

Compléments

• Les classes de lipides sont :

  • acides gras
  • glycérides
  • phosphoglycérides ou phospholipides
  • stéroïdes

• L’acide oléique possède une double liaison et est liquide à 20 °C, tandis que l’acide stéarique est solide à cette température.

• La notation simplifiée d’un acide gras indique le nombre de carbones et le nombre de doubles liaisons ; la notation C18 Δ9 désigne l’acide oléique.

• En solution aqueuse, les lipides amphiphiles s’organisent avec leurs parties hydrophobes à l’écart de l’eau et leurs têtes hydrophiles au contact de l’eau, pouvant former des micelles.

• L’estérification associe le groupement carboxyle d’un acide gras au groupement hydroxyle d’un alcool, forme un ester et libère de l’eau ; l’hydrolyse est la réaction inverse.

• Les glycérides résultent de l’estérification du glycérol par des acides gras : les monoglycérides ont une fonction alcool estérifiée, les diglycérides deux et les triglycérides trois.

• Les triglycérides constituent la majorité des lipides de l’organisme et représentent une forme de stockage des acides gras.

• Les stéroïdes dérivent du cholestérol, possèdent une charpente de quatre cycles carbonés et comprennent notamment des hormones sexuelles ainsi que le cholestérol membranaire.

💡 Astuce mémo

Tête hydrophile, queue hydrophobe : les deux pôles d’un acide gras

📖 5. Protéines et acides aminés

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé : Petite molécule carbonée portant une fonction carboxyle, une fonction amine et une chaîne latérale R sur son carbone alpha, sauf la proline qui fait exception à la fonction amine.
• Structure primaire : Séquence précise et nombre des acides aminés d’une protéine.

★ À maîtriser

• Les protéines ont des rôles structuraux, catalytiques, de communication intercellulaire, de transport et de défense immunitaire.

• Il existe 20 acides aminés dans la nature, qui partagent des fonctions carboxyle et amine ainsi qu’un atome d’hydrogène, mais diffèrent par leur chaîne latérale R.

• La liaison peptidique se forme entre la fonction carboxyle d’un acide aminé et la fonction amine du suivant, avec élimination d’une molécule d’eau.

• Une chaîne polypeptidique se replie selon sa séquence d’acides aminés pour atteindre une configuration native tridimensionnelle nécessaire à sa fonction.

Compléments

• Les protéines représentent plus de 50 % du poids sec de l’individu.

• Les protéines contiennent du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène et de l’azote ; certaines contiennent aussi du soufre et du phosphore.

📌 Un peptide correspond à un enchaînement de 2 à 50 acides aminés, tandis qu’une protéine en contient plus de 50.

• Neuf acides aminés sont essentiels et doivent être apportés par l’alimentation, car l’organisme ne peut pas les synthétiser.

• À pH physiologique de 7,3, les fonctions amine et carboxyle des acides aminés sont sous forme ionisée.

• Les catégories d’acides aminés selon leur comportement dans l’eau sont :

  • non polaires
  • polaires
  • ionisés

• Dans une séquence peptidique, l’extrémité N-terminale est écrite à gauche et l’extrémité C-terminale à droite ; les acides aminés incorporés sont appelés résidus.

• Le nombre de liaisons peptidiques d’une chaîne est égal au nombre d’acides aminés moins un.

• La structure secondaire résulte de liaisons hydrogène régulières entre des liaisons peptidiques et prend notamment la forme d’un feuillet bêta ou d’une hélice alpha.

• Les interactions participant à la structure tertiaire sont :

  • liaisons hydrogène
  • liaisons ioniques
  • liaisons hydrophobes ou de Van der Waals
  • ponts disulfure entre cystéines

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire

📖 6. Acides nucléiques et nucléotides

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : Composé d’une base azotée, d’un groupement phosphate et d’un sucre à cinq carbones.

★ À maîtriser

📌 L’ADN stocke l’information génétique, tandis que les ARN participent à son expression, notamment à la synthèse des protéines.

📌 L’ARN contient du ribose et l’ADN du désoxyribose.

• L’ADN est un polymère de A, T, G et C composé de deux brins antiparallèles, tandis que l’ARN contient A, U, G et C et est généralement monocaténaire.

📌 Les ARN codants sont les ARN messagers destinés à la synthèse des protéines, tandis que les ARN non codants participent notamment à cette fabrication ou en modulent l’expression.

Compléments

• Les acides nucléiques contiennent du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote et beaucoup de phosphore ; ils représentent 2 % de la masse corporelle.

• Un nucléoside comprend uniquement un pentose et une base azotée, alors qu’un nucléotide comprend aussi un groupement phosphate.

• L’ATP est un nucléotide composé d’adénine, d’un pentose et de trois groupements phosphate ; il sert de source d’énergie et à fabriquer les acides nucléiques.

• Les bases puriques à deux cycles sont l’adénine et la guanine ; les bases pyrimidiques à un cycle sont la cytosine, la thymine propre à l’ADN et l’uracile propre à l’ARN.

• Les nucléotides d’un acide nucléique sont reliés par une liaison nucléotidique, ou pont phosphodiester, entre le groupement hydroxyle du carbone 3′ d’un sucre et le phosphate du nucléotide suivant.

• L’extrémité 5′ d’un acide nucléique porte un phosphate libre et s’écrit à gauche, tandis que l’extrémité 3′ porte un hydroxyle libre et s’écrit à droite.

• Dans l’ADN, les brins antiparallèles s’apparient par deux ponts hydrogène entre A et T et par trois entre G et C.

• L’ADN forme une double hélice dont la découverte est attribuée à Watson et Crick dans les années 50.

• Dans l’ARN, les bases peuvent s’apparier au sein du même brin : A avec U par deux ponts hydrogène et G avec C par trois ponts hydrogène.

• Les ARN ribosomiques représentent 80 % des ARN et, avec les ARN de transfert, participent à la fabrication des protéines.

• Les petits ARN, notamment les micro-ARN, peuvent favoriser ou freiner l’expression génétique.

💡 Astuce mémo

ADN à deux brins, ARN à un brin

📖 7. Compartiments des cellules eucaryotes

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytoplasme : Ensemble du matériel biologique de la cellule eucaryote, à l’exception du noyau, entre la membrane plasmique et l’enveloppe nucléaire.

★ À maîtriser

📌 Une cellule procaryote possède de l’ADN libre dans le cytoplasme et dépourvu de compartiment nucléaire, tandis qu’une cellule eucaryote enferme son ADN dans un noyau.

• Les cellules eucaryotes sont compartimentées : la membrane plasmique sépare l’intérieur cellulaire du milieu extracellulaire et l’enveloppe nucléaire sépare le noyau du cytoplasme.

Compléments

📌 Un virus est un acide nucléique entouré d’une capsule protéique qui dépend des cellules pour exister, se multiplier et se propager.

• Le cytoplasme contient des organites qui peuvent être délimités ou non par une membrane, notamment les mitochondries, les lysosomes et les ribosomes.

📖 8. Organisation générale du noyau

★ À maîtriser

• Le noyau est le dépositaire de l’information génétique contenue dans l’ADN.

• L’enveloppe nucléaire est formée de deux membranes séparées par un espace intermembranaire.

• Les pores nucléaires sont des complexes moléculaires qui permettent le passage contrôlé de molécules entre les compartiments nucléaire et cytoplasmique.

• Le nucléoplasme est la phase liquide du noyau et fournit un milieu favorable à son fonctionnement, avec de l’eau, des protéines et des sels minéraux dissous.

• Chez l’être humain, l’ADN nucléaire est réparti en 46 molécules formant des chromosomes, organisés en deux lots de 23 hérités respectivement du père et de la mère.

Compléments

• Le noyau occupe une position centrale sur les plans géographique et fonctionnel et constitue le plus volumineux des organites de la cellule eucaryote.

📌 Les globules rouges ne possèdent pas de noyau à maturité, tandis que les cellules musculaires peuvent en posséder plusieurs.

📌 L’ADN nucléaire est réparti dans le noyau, tandis que l’ADN mitochondrial se trouve dans les mitochondries.

📖 9. Expression et organisation de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Expression génétique : L’ensemble des étapes qui utilisent l’information stockée dans l’ADN pour produire des protéines ou, pour certains gènes, des ARN non codants.
• Transcription : La copie de la séquence d’un gène de l’ADN en ARN, réalisée à partir du brin transcrit.
• Codon : Un groupe de trois nucléotides porté par l’ARN messager et correspondant à un acide aminé particulier ou à un signal stop.
• Traduction : La fabrication d’une protéine à partir d’un ARNm par les ribosomes dans le cytoplasme.
• Maturation : Transforme l’ARN pré-messager en ARNm en éliminant les séquences qui ne sont pas utiles à la production de la protéine.
• Épissage : L’élimination des introns et la mise bout à bout des exons au cours de la maturation de l’ARN.

★ À maîtriser

• 🔄 Pour un gène codant une protéine, les étapes sont :
  1. Transcription de l’ADN en ARN pré-messager
  2. Maturation en ARNm
  3. Export de l’ARNm par les pores nucléaires
  4. Traduction dans le cytoplasme

📌 Les cellules eucaryotes possèdent les mêmes 46 molécules d’ADN, mais leur identité dépend des protéines produites à partir des gènes qu’elles expriment.

Compléments

• 🔄 Lors de la traduction :

  1. Le ribosome lit les codons de l’ARNm
  2. Les ARN de transfert apportent les acides aminés
  3. Le ribosome assemble les acides aminés en protéine
  4. Un codon stop provoque la libération de la protéine

• Les petits ARN peuvent faciliter ou freiner la transcription, la maturation et la traduction.

💡 Astuce mémo

ADN → ARN pré-messager → maturation → ARNm → protéine

📖 10. Condensation de la chromatine

🔑 Notions clés & Définitions

• Chromatine : L’association de l’ADN avec des protéines, notamment des histones et des protéines non histones.
• Chromosome : Une entité formée de deux chromatides reliées par un centromère, correspondant à deux molécules d’ADN identiques associées.

★ À maîtriser

📌 Pendant l’interphase, la chromatine est relativement décondensée et les chromosomes ne sont pas distinguables individuellement, tandis qu’en division elle atteint une condensation maximale et forme des chromosomes mitotiques visibles.

📌 L’euchromatine est peu condensée et accessible à la transcription, tandis que l’hétérochromatine est condensée et inaccessible aux enzymes de transcription.

Compléments

• Les régions d’euchromatine et d’hétérochromatine ne correspondent pas nécessairement aux mêmes gènes d’une cellule à l’autre.

💡 Astuce mémo

Euchromatine accessible, hétérochromatine compacte et inactive

📖 11. Nucléole et protéines nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléole : Une région du noyau où se rassemblent les parties de l’ADN qui codent les ARN ribosomaux et où se forment les sous-unités ribosomales.
• Lamina nucléaire : Un réseau formé par l’association de lamines, des protéines structurelles accolées à l’enveloppe nucléaire.

★ À maîtriser

• Les protéines nucléaires entrent par les pores nucléaires, et celles qui portent un signal de localisation nucléaire sont dirigées vers le noyau.

Compléments

• Les ARN ribosomaux représentent environ 80 % des ARN présents en quantité dans la cellule.

• Dans le noyau, les protéines ribosomales produites dans le cytoplasme s’associent aux ARN ribosomaux pour former les petites et grandes sous-unités, qui ressortent ensuite du noyau.

• Les protéines nucléaires comprennent notamment :

  • Les ARN polymérases
  • Les ADN polymérases
  • Des protéines de réparation de l’ADN
  • Des protéines structurelles

• Les lamines contribuent à la structure du noyau, à l’expression génétique et à la division cellulaire.

• Une anomalie d’une lamine peut provoquer une laminopathie ; la progéria en est une forme associée à un vieillissement prématuré.

📖 12. Cytosol et inclusions

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytosol : La phase liquide semi-visqueuse du cytoplasme, composée majoritairement d’eau et contenant notamment des sels minéraux, des ions et de l’ATP.
• Inclusions : Des accumulations cytoplasmiques de produits de réserve qui ne sont considérées ni comme du cytosol ni comme des organites et ne sont pas entourées d’une membrane.

📝 Points essentiels

• Les granules de glycogène sont des inclusions des cellules musculaires et constituent une réserve énergétique utilisée pour la contraction musculaire.

• Les adipocytes contiennent des inclusions de triglycérides formant des gouttelettes lipidiques.

📖 13. Réticulum et appareil de Golgi

★ À maîtriser

📌 Le réticulum endoplasmique granulaire porte des ribosomes, tandis que le réticulum endoplasmique lisse en est dépourvu.

• Le REG accumule et mature les protéines destinées à d’autres organites, à la membrane cellulaire ou à la sécrétion, et environ un tiers des protéines produites par la cellule y transite.

• Le REL synthétise des lipides, dégrade des molécules toxiques ou indésirables et sert de réservoir d’ions calcium.

• 🔄 Le transport et la maturation dans l’appareil de Golgi suivent ces étapes :

  1. Les vésicules issues du REG fusionnent avec les saccules cis
  2. Les protéines sont modifiées lors de leur progression entre les saccules
  3. Les protéines atteignent la face trans
  4. Des vésicules les acheminent vers leur destination

Compléments

• Le réticulum endoplasmique est un réseau de tubules et de sacs aplatis en continuité avec l’enveloppe nucléaire, et représente environ la moitié des membranes totales d’une cellule eucaryote.

• Pour entrer dans le REG, le peptide signal d’une protéine en cours de synthèse est reconnu par la SRP, qui se lie à son récepteur membranaire et permet le passage de la protéine dans la lumière du réticulum.

• Les protéines qui transitent par le REG peuvent y être repliées et associées à des sucres pour former des glycoprotéines.

• Le REG forme par bourgeonnement des vésicules qui transportent des protéines vers d’autres organites, notamment l’appareil de Golgi.

• L’appareil de Golgi est formé de saccules aplatis empilés en dictyosomes et possède une polarité allant de la face cis à la face trans.

• L’appareil de Golgi modifie et étiquette les protéines afin de les orienter vers la membrane plasmique, d’autres organites membraneux ou le milieu extracellulaire.

💡 Astuce mémo

REG → Golgi cis → Golgi trans → destination

📖 14. Mitochondries et respiration cellulaire

★ À maîtriser

• La mitochondrie possède une double membrane, dont la membrane interne forme des crêtes, et délimite une matrice mitochondriale séparée de l’extérieur par un espace intermembranaire.

• La mitochondrie produit de l’ATP par respiration cellulaire en utilisant des substrats énergétiques et de l’oxygène, avec production d’eau et de dioxyde de carbone.

• La respiration cellulaire comprend la glycolyse dans le cytoplasme, la transformation de l’acide pyruvique dans la mitochondrie, la production de molécules réduites par le cycle de Krebs, le transfert de protons par la chaîne respiratoire et la synthèse d’ATP par l’ATP synthase.

Compléments

• Les mitochondries sont plus nombreuses dans les cellules dont l’activité métabolique est importante, comme les fibres musculaires.

• La mitochondrie possède son propre ADN, qui code notamment certaines protéines de la chaîne respiratoire.

📌 La mitochondrie peut extraire de l’énergie de métabolites comme les sucres et les lipides, tandis que l’ATP est une molécule énergétique directement utilisable par hydrolyse.

💡 Astuce mémo

Glycolyse → Krebs → chaîne respiratoire → ATP

📖 15. Digestion et recyclage cellulaires

★ À maîtriser

• Les lysosomes sont des vésicules intracellulaires de 0,2 à 0,5 µm, de forme variable, contenant des enzymes hydrolytiques de dégradation.

• Les lysosomes acidifient leur lumière en y pompant des protons, ce qui établit un pH compris entre 3,5 et 5 et rend leurs enzymes hydrolytiques actives.

📌 La phagocytose correspond à la digestion de produits captés dans le milieu extracellulaire, tandis que l’autophagie correspond à la digestion de constituants propres devenus inopérants.

Compléments

• Les produits de digestion lysosomale peuvent être relargués dans le cytosol et réutilisés par la cellule.

• Les peroxysomes sont des organites à membrane simple qui contiennent de nombreuses enzymes et jouent principalement un rôle oxydatif.

💡 Astuce mémo

Phagocytose : matière extérieure ; autophagie : constituants propres

📖 16. Ribosomes et code génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Anticodon : Un groupe de trois nucléotides porté par un ARN de transfert et complémentaire d’un codon de l’ARNm.

★ À maîtriser

• Un ribosome est formé de deux sous-unités constituées d’ARN ribosomaux et de protéines ; il peut être libre dans le cytoplasme ou fixé au REG.

• Avec quatre bases possibles, les triplets peuvent former 64 codons, qui codent pour 20 acides aminés ; plusieurs codons peuvent donc correspondre au même acide aminé.

• AUG code la méthionine et sert de codon d’initiation, tandis que UAA, UAG et UGA sont des codons stop qui provoquent l’arrêt de la traduction.

Compléments

• Pendant la traduction, le ribosome se déplace le long de l’ARNm, assemble les acides aminés liés par des liaisons peptidiques, puis se dissocie en deux sous-unités lorsque la protéine est achevée.

• L’ARNm est lu dans le sens 5′ vers 3′, par groupes de trois nucléotides, et la protéine est synthétisée de son extrémité N-terminale vers son extrémité C-terminale.

• Le code génétique est universel, à l’exception de codons propres aux mitochondries.

📌 Les protéines destinées au REG portent un peptide signal reconnu par la SRP, tandis que les protéines destinées au noyau portent un signal de localisation nucléaire reconnu par les pores nucléaires.

📖 17. Cytosquelette

📝 Points essentiels

• Le cytosquelette est un élément non membraneux qui occupe le volume du cytoplasme et est considéré comme un organite, bien qu’il ne puisse pas être isolé comme tel.