Fiche de révision : Biologie cellulaire et noyau

📋 Plan du Cours

1. Histoire de la biologie cellulaire
2. Diversité et types cellulaires
3. Structure de l’ADN et chromatine
4. Réplication et cycle cellulaire
5. Étapes de la mitose
6. Sécrétion constitutive et régulée
7. Endosomes et organites de dégradation
8. Organites énergétiques
9. Filaments d’actine et organisation
10. Actine, jonctions et mouvements
11. Filaments intermédiaires
12. Structure et dynamique des microtubules
13. Transport et organisation des microtubules
14. Centrosome et cycle cellulaire
15. Microtubules des cils et flagelles

📅 Repères chronologiques

1. 1665Robert Hooke découvre des cellules dans du liège à l’aide des premiers microscopes.
2. 1677Antoine van Leeuwenhoek observe des animalcules, aujourd’hui appelés protozoaires, après avoir cherché d’éventuelles aiguilles minuscules sur du poivre.
3. 1839Theodor Schwann conclut que les plantes et les animaux sont constitués de cellules, unité commune de structure et de développement, fondant ainsi la théorie cellulaire.
4. 1858Rudolph Virchow affirme que les cellules proviennent de la division de cellules préexistantes (« omnis cellula ex cellula »).

📖 1. Histoire de la biologie cellulaire

📝 Points essentiels

• En 1861, Louis Pasteur réfute la génération spontanée, croyance selon laquelle des formes de vie peuvent apparaître spontanément.

📖 2. Diversité et types cellulaires

★ À maîtriser

• Les eucaryotes comprennent :

  • les protistes
  • les champignons
  • les plantes
  • les animaux

• La taille typique des procaryotes est d’environ 1 à 10 µm, contre environ 10 à 100 µm chez les eucaryotes.

📌 Les procaryotes possèdent un nucléoïde sans véritable noyau, tandis que les eucaryotes ont un vrai noyau entouré d’une enveloppe.

Compléments

📌 L’ADN procaryote est circulaire et associé à des protéines HU chez les eubactéries, tandis que l’ADN eucaryote est constitué de molécules linéaires associées à des histones.

• Les procaryotes n’ont pas de mitochondries ni de chloroplastes, tandis que les eucaryotes possèdent une à plusieurs douzaines de mitochondries et que les algues et les plantes chlorophylliennes possèdent des chloroplastes.

📌 Chez les procaryotes, l’ARN et la synthèse des protéines sont couplés au cytoplasme, tandis que chez les eucaryotes l’ARN est synthétisé dans le noyau et les protéines dans le cytoplasme.

• Les cellules procaryotes ont peu de structures cytoplasmiques, tandis que les cellules eucaryotes sont structurées par des membranes intracellulaires et un cytosquelette.

💡 Astuce mémo

Procaryote sans vrai noyau, eucaryote avec enveloppe nucléaire

📖 3. Structure de l’ADN et chromatine

★ À maîtriser

• Les bases azotées de l’ADN sont :
  • l’adénine
  • la thymine
  • la cytosine
  • la guanine

• Un tour de l’hélice d’ADN correspond à 10 paires de bases et mesure 3,4 nm.

• Les nucléosomes régulièrement espacés forment le nucléofilament, ou structure en « collier de perles », contenant environ 200 paires de bases d’ADN, dont 146 paires de bases associées au nucléosome et environ 60 paires de bases supplémentaires.

• Les niveaux de compaction représentés mesurent 2 nm pour la double hélice, 11 nm pour le collier de perles, 30 nm pour la fibre chromatinienne, 300 nm pour une partie étalée d’un chromosome, 700 nm pour une partie condensée d’un chromosome mitotique et 1 400 nm pour un chromosome mitotique entier.

Compléments

• La double hélice d’ADN mesure 2 nm de diamètre.

• Le deuxième niveau de compaction de l’ADN est une fibre de chromatine de 30 nm.

💡 Astuce mémo

ADN 2 nm → collier de perles 11 nm → fibre 30 nm → chromosome 1 400 nm

📖 4. Réplication et cycle cellulaire

★ À maîtriser

• Le cycle cellulaire comprend l’interphase, qui occupe 95 % du temps, et la mitose, qui en occupe 5 %.

• La phase S de l’interphase correspond à la synthèse et à la duplication de l’ADN.

Compléments

• Au cours du cycle représenté, une cellule passe de 2 chromosomes à 1 chromatide chacun avant la réplication à 2 chromosomes à 2 chromatides chacun après la réplication, puis retrouve 2 chromosomes à 1 chromatide chacun après la mitose.

• La quantité d’ADN représentée passe de q à 2q au cours de la phase S, puis revient à q après la mitose.

💡 Astuce mémo

G₁ → S → G₂ → M

📖 5. Étapes de la mitose

★ À maîtriser

• 🔄 Les étapes représentées de la mitose sont :
  1. la prophase
  2. la prométaphase
  3. la métaphase
  4. l’anaphase
  5. la télophase
  6. la cytocinèse

📌 La méiose comprend deux divisions successives, I et II, et fait passer une cellule diploïde (2n) à des cellules haploïdes (n).

Compléments

• La plaque équatoriale est indiquée au cours de la métaphase dans le schéma des étapes de la mitose.

• Une image de microscopie à fluorescence attribuée à Rieder et al. (1997) représente les microtubules en rouge et les chromosomes en vert.

💡 Astuce mémo

Prophase → prométaphase → métaphase → anaphase → télophase

📖 6. Sécrétion constitutive et régulée

📝 Points essentiels

📌 La sécrétion constitutive libère des protéines solubles nouvellement synthétisées et des lipides et protéines membranaires sans fusion membranaire régulée.

• 🔄 La sécrétion régulée suit ces étapes :
  1. Des protéines sécrétoires sont stockées dans des vésicules.
  2. Un signal tel qu’une hormone ou un neurotransmetteur est reçu.
  3. La transduction du signal déclenche la fusion membranaire.

💡 Astuce mémo

La voie constitutive fusionne sans signal ; la voie régulée attend un signal.

📖 7. Endosomes et organites de dégradation

★ À maîtriser

• 🔄 Le trajet endosomal comprend :

  1. L’endosome précoce.
  2. L’endosome tardif.
  3. Le recyclage d’une partie du matériel dans un endosome recyclé.

• Les lysosomes primaires fusionnent avec des vésicules autophagiques ou des vacuoles phagocytaires pour former des lysosomes secondaires qui digèrent leur contenu et libèrent les produits de digestion.

Compléments

• Les vésicules à clathrine, COPI et COPII sont représentées dans les échanges entre le réticulum endoplasmique, les compartiments cis et trans du Golgi et les endosomes.

• La rupture d’un lysosome peut entraîner l’autolyse de la cellule.

• Le peroxysome est représenté avec :

  • Une membrane lipidique bicouche.
  • Un noyau cristallin.
  • Une oxydase générant du H₂O₂.
  • De la catalase.

💡 Astuce mémo

Précoce → tardif → lysosome ; une partie de l’endosome est recyclée.

📖 8. Organites énergétiques

★ À maîtriser

• La mitochondrie comprend une membrane externe, une membrane interne, un espace intermembranaire et une matrice ; sa membrane interne forme des crêtes et porte des ATP synthétases.

• La chaîne de transport d’électrons établit un gradient de H⁺ entre l’espace intermembranaire, où le pH est bas, et la matrice, où le pH est élevé ; le retour des H⁺ par l’ATP synthétase permet la formation d’ATP à partir d’ADP et de phosphate inorganique.

• Le chloroplaste possède une enveloppe à deux membranes, un stroma, de l’ADN, des ribosomes et des thylakoïdes regroupés en grana.

Compléments

• Le schéma mitochondrial associe le cycle de Krebs dans la matrice à la production de NADH et de FADH₂, et montre la réduction de l’oxygène en eau.

• Dans le chloroplaste, la phase photochimique fournit l’énergie et les produits utilisés par le cycle de Calvin, qui conduit à la formation de trioses phosphate puis d’hexoses phosphate, dont le glucose, et de matière organique.

💡 Astuce mémo

Le gradient de H⁺ à travers la membrane interne mitochondriale permet la synthèse d’ATP.

📖 9. Filaments d’actine et organisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Filaments d’actine : Polymères hélicoïdaux à deux brins d’actine, souples, de 5 à 9 nm de diamètre, organisés en faisceaux, réseaux bidimensionnels ou gels tridimensionnels et concentrés surtout dans le cortex sous la membrane plasmique.

★ À maîtriser

• Un filament d’actine est une double hélice polarisée possédant une extrémité plus et une extrémité moins ; les monomères d’actine liés à l’ATP deviennent associés à l’ADP dans le filament.

Compléments

• La polymérisation de l’actine comprend la nucléation, l’élongation du filament et l’état stationnaire.

• Les organisations illustrées comprennent :
  • Des faisceaux parallèles serrés associés à la fimbrine.
  • Des faisceaux contractiles associés à l’α-actinine.
  • Des réseaux associés à la filamine.

📖 10. Actine, jonctions et mouvements

★ À maîtriser

• La polymérisation de l’actine à l’extrémité plus pousse le lamellipode vers l’avant ; la contraction par la myosine II et les contacts focaux contenant des intégrines contribuent au déplacement cellulaire.

• Les protéines d’ancrage citées comprennent :

  • L’α-caténine.
  • La β-caténine.
  • La γ-caténine.
  • L’α-actinine.
  • La vinculine.

• Dans le sarcomère, les myofilaments fins sont constitués d’actine et les myofilaments épais de myosine.

Compléments

• Les microvillosités contiennent des faisceaux de filaments d’actine reliés entre eux par la villine et la fimbrine et à la membrane par des bras latéraux impliquant la myosine I et la calmoduline.

• Les jonctions épithéliales représentées comprennent :

  • Les jonctions étanches.
  • Les jonctions adhérentes.
  • Les desmosomes.
  • Les jonctions communicantes de type gap.
  • Les hémidesmosomes.

📖 11. Filaments intermédiaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Filaments intermédiaires : Fibres de type cordage d’environ 10 nm de diamètre, constituées de protéines appartenant à une famille hétérogène.

★ À maîtriser

• Dans le tissu épithélial, les filaments intermédiaires s’étendent d’une jonction intercellulaire à l’autre et renforcent l’épithélium.

Compléments

• La lamina nucléaire est un réseau de mailles de filaments intermédiaires situé juste sous la membrane nucléaire interne.

• Les kératines acides (type I) et les kératines neutres ou basiques (type II) sont exprimées dans l’épithélium.

• Les filaments intermédiaires de type III comprennent la desmine dans les muscles, la GFAP dans les astrocytes, la vimentine dans les cellules mésenchymateuses et les cellules précurseurs embryonnaires, et la périphérine dans les neurones.

• Les neurofilaments NFL, NFm et NFh ainsi que les internexines sont des filaments intermédiaires de type IV exprimés dans les neurones.

• Les lamines sont des filaments intermédiaires de type V présents dans le noyau, tandis que la nestine est de type VI et s’exprime dans les cellules souches neuroépithéliales.

📖 12. Structure et dynamique des microtubules

🔑 Notions clés & Définitions

• Microtubules : Longs cylindres creux constitués de tubuline, d’un diamètre externe de 25 nm, plus rigides que les filaments d’actine.

★ À maîtriser

• Un microtubule est un tube creux constitué de 13 protofilaments parallèles, chacun formé de sous-unités adjacentes de même orientation.

• Une coiffe de sous-unités β liées au GTP stabilise l’extrémité du microtubule ; si le GTP est rapidement hydrolysé en GDP, les dimères deviennent instables et le microtubule se rompt progressivement.

Compléments

• Un hétérodimère de tubuline est formé d’une tubuline α et d’une tubuline β, qui lient toutes deux le GTP.

📌 La tubuline α lie le GTP de façon stable, tandis que la tubuline β le lie de façon moins stable.

• Après leur polymérisation, les dimères de tubuline s’associent tête-bêche en protofilaments et le GTP de la tubuline β est hydrolysé en GDP.

💡 Astuce mémo

La coiffe de GTP stabilise le microtubule ; son hydrolyse favorise sa rupture.

📖 13. Transport et organisation des microtubules

★ À maîtriser

📌 Les kinésines se déplacent vers l’extrémité plus des microtubules, tandis que les dynéines se déplacent vers leur extrémité moins.

• Les kinésines et les dynéines transportent des organites et des vésicules le long des microtubules grâce à l’énergie issue de l’hydrolyse de l’ATP.

Compléments

• Les microtubules sont longs et droits et ont typiquement une extrémité fixée au centrosome, centre organisateur des microtubules.

• Les extrémités moins des microtubules sont ancrées dans le centrosome, tandis que leurs extrémités plus sont libres dans le cytoplasme.

💡 Astuce mémo

Kinésine vers le +, dynéine vers le −.

📖 14. Centrosome et cycle cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Centrosome : Le centrosome est le principal centre organisateur des microtubules ; il comprend une paire de centrioles et une matrice contenant des complexes en anneau de tubuline γ.

★ À maîtriser

• 🔄 Le cycle du centrosome comprend les étapes suivantes :
  1. Détachement des centrioles
  2. Duplication des centrioles
  3. Engagement des centrioles
  4. Maturation des centrosomes
  5. Séparation des centrosomes
  6. Formation du fuseau bipolaire
  7. Division cellulaire

Compléments

• La duplication des centrioles se déroule durant la phase S, en même temps que la duplication de l’ADN.

• Durant la prophase de la mitose, les centrosomes génèrent des fibres du fuseau entre eux et s’éloignent l’un de l’autre.

• Durant la métaphase, les centrosomes ont migré aux pôles opposés de la cellule.

• Après la division cellulaire, chaque cellule-fille reçoit un centrosome avec sa paire de centrioles.

💡 Astuce mémo

Détachement → duplication → engagement → maturation → séparation → fuseau → division.

📖 15. Microtubules des cils et flagelles

📝 Points essentiels

• Les cils et les flagelles contiennent des microtubules organisés en doublets externes autour d’une paire centrale.

• Le déplacement simultané des dynéines le long des microtubules engendre la flexion du cil.

💡 Astuce mémo

Le glissement simultané des dynéines entraîne la flexion du cil.

📊 Tableaux de synthèse

Jonctions épithéliales