★ À maîtriser
En 1838, M. Schleiden et Theodor Schwann proposent la première théorie cellulaire, selon laquelle tous les tissus végétaux et animaux sont constitués de cellules.
En 1861, Pasteur démontre expérimentalement que les micro-organismes ne naissent pas spontanément, mais proviennent de micro-organismes préexistants.
Compléments
En 1665, Robert Hooke observe des alvéoles dans de minces tranches de liège mort et nomme ces structures « cellules », en référence à des espaces clos.
La membrane plasmique confère à chaque cellule son individualité en la séparant de son environnement.
★ À maîtriser
Une membrane est constituée d’une bicouche lipidique et de protéines transmembranaires intégrées ou périphériques accolées à la membrane.
Les molécules d’eau et les molécules hydrosolubles ne traversent pas directement la barrière hydrophobe de la bicouche lipidique et utilisent des protéines transmembranaires pour les échanges.
Dans les cellules eucaryotes, les membranes internes délimitent les organites et permettent à chacun de conserver un milieu ionique et enzymatique particulier, favorable à des réactions biochimiques spécifiques.
Compléments
Les protéines transmembranaires de transport comprennent :
La compartimentation mitochondriale optimise la production d’ATP, tandis que celle des lysosomes concentre les enzymes de dégradation et limite le risque de destruction de la cellule.
Milieux spécialisés → réactions biochimiques optimisées
★ À maîtriser
La Terre s’est formée il y a environ 4,6 milliards d’années et les premières formes de vie sont apparues il y a environ 3,5 à 3,8 milliards d’années.
Les trois grands groupes cellulaires actuels sont :
L’acquisition de mécanismes de production d’énergie est présentée dans l’ordre suivant : glycolyse, photosynthèse chez certaines bactéries, puis métabolisme oxydant par respiration cellulaire en présence d’oxygène.
Compléments
Les travaux de Miller et Urey, en 1953, montrent que des molécules organiques simples peuvent se former à partir d’un mélange soumis à des chocs électriques.
Selon l’hypothèse présentée, des molécules organiques simples se polymérisent en macromolécules, puis des phospholipides s’organisent en sphère entourant de l’eau et un ARN rudimentaire autoréplicatif.
Le métabolisme oxydant est associé à l’apparition des premiers eucaryotes contenant des mitochondries, puis des premiers organismes pluricellulaires.
Glycolyse → photosynthèse → respiration
★ À maîtriser
📌 Les cellules procaryotes, dont les archées et les bactéries, ne possèdent pas de noyau, tandis que les cellules eucaryotes possèdent un noyau délimité par une enveloppe.
Les cellules eucaryotes mesurent généralement de 10 à 100 μm, possèdent des organites délimités par une ou deux membranes et contiennent au moins deux chromosomes linéaires associés à des histones.
Les fonctions communes des cellules eucaryotes comprennent :
Compléments
Les cellules procaryotes mesurent généralement de 1 à 10 μm et ne possèdent ni organites internes ni système membranaire interne.
Le chromosome procaryote est circulaire, de petite taille et constitué d’ADN sans histones associées.
Des fonctions spécialisées comprennent :
Procaryote sans noyau ; eucaryote avec noyau
★ À maîtriser
La vie utilise environ 25 des 92 éléments chimiques présents naturellement, dont le carbone, l’hydrogène, l’oxygène et l’azote sont particulièrement importants.
Presque toutes les molécules des êtres vivants possèdent un squelette carboné, qui peut former des chaînes linéaires, des chaînes ramifiées ou des cycles.
Les mitochondries et les chloroplastes produisent de l’ATP par des mécanismes distincts, tandis que les peroxysomes coopèrent à la production énergétique sans produire directement l’ATP.
Compléments
Le système endomembranaire comprend :
L’hydrolyse de l’ATP en ADP et phosphate inorganique libère de l’énergie, tandis que la phosphorylation de l’ADP emmagasine de l’énergie.
★ À maîtriser
La mitochondrie possède une membrane externe, une membrane interne formant des crêtes et une matrice interne au pH alcalin.
La membrane interne mitochondriale est imperméable aux ions, notamment aux protons, et contrôle les échanges par des transporteurs.
La chaîne respiratoire mitochondriale comprend les complexes métalloprotéiques I, II, III et IV, qui catalysent une cascade de réactions d’oxydoréduction transférant des électrons.
L’ATP synthase mitochondriale comporte une partie F1 sphérique tournée vers la matrice et une partie F0 insérée dans la membrane interne, qui forme un canal pour le retour des protons.
La respiration mitochondriale oxyde des molécules organiques en présence d’oxygène et produit du dioxyde de carbone, de l’eau et de l’ATP.
Compléments
La forme et la mobilité des mitochondries varient avec les propriétés physicochimiques du cytosol et les besoins énergétiques locaux, mais elles ne possèdent pas de mouvement propre.
Dans l’entérocyte, les mitochondries apicales fournissent l’énergie aux microvillosités et les mitochondries basales contribuent au passage des nutriments vers le tissu conjonctif sous-jacent.
Les crêtes mitochondriales augmentent la surface de la membrane interne, qui est environ trois fois plus grande que la surface de la membrane externe.
La membrane externe mitochondriale contient des porines laissant passer de petites molécules de masse moléculaire inférieure à 5 kDa.
Le cycle de Krebs mitochondrial produit les pouvoirs réducteurs NADH et FADH₂, qui cèdent ensuite leurs électrons à la chaîne respiratoire de la membrane interne.
Le cyanure est un inhibiteur du complexe IV de la chaîne respiratoire, et non une molécule découplante ; il bloque le transfert des électrons, entraînant la disparition du gradient de protons et l’arrêt de la production d’ATP par phosphorylation oxydative.
La théorie endosymbiotique attribuée à Mereschkowski en 1905 propose que les mitochondries dérivent d’une α-protéobactérie aérobie vivant en symbiose dans une cellule eucaryote.
Les indices de l’origine bactérienne des mitochondries comprennent : un ADN circulaire à double brin, une expression génétique indépendante avec des ARNm, des ARNt et des ribosomes propres, une multiplication indépendante du noyau, une double membrane
Les mitochondries se multiplient par division de mitochondries existantes et sont éliminées par autophagie dans le compartiment lysosomal.
Gradient de protons → ATP synthase → ATP
★ À maîtriser
Les plastes peuvent se différencier les uns en les autres sous l’influence de facteurs environnementaux, et ces transformations sont souvent réversibles.
Sous l’effet de la lumière, les étioplastes jaunes et non photosynthétiques peuvent se transformer en chloroplastes, et cette transformation est réversible.
Les amyloplastes produisent de l’amidon à partir du glucose cytosolique et le stockent comme réserve durable, notamment dans les racines tubérisées, les rhizomes, les fruits, les graines et les spores.
Le stroma du chloroplaste, de pH alcalin, contient notamment la Rubisco, qui réalise la fixation initiale du CO₂, ainsi que des ions, des molécules organiques et des plages transitoires d’amidon.
📌 La respiration dégrade les molécules organiques et libère du CO₂ et de l’eau, tandis que la photosynthèse synthétise des molécules organiques à partir de CO₂ et d’eau en libérant de l’oxygène.
Compléments
Les types de plastes cités sont :
Les chromoplastes dérivent de chloroplastes ayant perdu leur capacité photosynthétique et leur capacité à produire de la chlorophylle, et accumulent des pigments caroténoïdiens.
Les pigments caroténoïdiens des chromoplastes sont lipophiles et insolubles dans l’eau ; le lycopène est rouge et le β-carotène est orange.
Les trois types d’amyloplastes décrits sont :
Les membranes internes des chloroplastes forment des thylakoïdes dont les sacs discoïdes peuvent s’empiler en grana et être reliés par des thylakoïdes intergranaires.
Les membranes thylakoïdales contiennent la chlorophylle, des photosystèmes et des ATP synthases, et sont très imperméables aux ions, en particulier aux protons.
L’ATP et le pouvoir réducteur produits par les réactions photochimiques alimentent le cycle de Calvin, au cours duquel la Rubisco fixe le carbone du CO₂ et contribue à la production de molécules organiques.
L’amidon synthétisé dans le chloroplaste n’est pas transporté, tandis que le saccharose constitue la forme de transport dans la sève élaborée.
Les plastes dérivent d’une cyanobactérie selon la théorie endosymbiotique, se multiplient par division de plastes existants et sont détruits par autophagie dans le compartiment lysosomal.
Proplaste → étioplaste éclairé → chloroplaste
★ À maîtriser
📐 Formule - Les oxydases des peroxysomes réalisent la réaction .
📐 Formule - La catalase protège la cellule contre l’excès de peroxyde d’hydrogène en catalysant .
Compléments
Les peroxysomes raccourcissent les acides gras à longues chaînes carbonées en acides gras à chaînes plus courtes, qui sont ensuite envoyés vers les mitochondries pour la formation d’acétyl-CoA.
Les peroxysomes contribuent à la détoxification en convertissant une partie du peroxyde d’hydrogène et de l’alcool consommé en acétaldéhyde, et le cours estime cette conversion à 20 à 50 % de l’alcool consommé dans le foie.
L’origine des peroxysomes n’est pas déterminée et ne relève pas du même processus que celle des mitochondries.
Les peroxysomes se forment par bourgeonnement du réticulum endoplasmique ou par croissance et division de peroxysomes préexistants, puis sont éliminés par autophagie dans le compartiment lysosomal.
Oxydases produisent H₂O₂ ; catalase le décompose
★ À maîtriser
La protéogenèse comprend la traduction de l’ARNm en chaîne polypeptidique, le repliement tridimensionnel et des modifications telles que la glycosylation, la lipidation ou la phosphorylation, puis l’adressage vers la destination finale.
La synthèse des protéines nécessite trois types d’ARN :
L’extrémité 3’ de chaque ARNt porte la séquence CCA, site de fixation de l’acide aminé, tandis que la boucle anticodon reconnaît le codon complémentaire de l’ARNm.
Les ribosomes sont constitués d’une petite et d’une grande sous-unité contenant environ 60 % d’ARNr et 40 % de protéines; leur coefficient de sédimentation est de 70S chez les procaryotes et de 80S chez les eucaryotes.
Compléments
Dans les cellules humaines, environ 30 000 gènes sont transcrits dans le noyau en ARNm, qui passent dans le cytoplasme par les pores nucléaires avant leur traduction en protéines.
AUG est l’unique codon de la méthionine et sert de codon d’initiation; la méthionine est le premier acide aminé de la chaîne naissante.
Une aminoacyl-ARNt synthétase spécifique de chaque acide aminé assure son association avec l’ARNt correspondant; le cours indique 20 synthétases différentes.
Dans les ribosomes eucaryotes, l’ARNr 28S de la grande sous-unité porte l’activité peptidyl-transférase qui établit les liaisons peptidiques.
★ À maîtriser
La traduction se déroule en trois phases :
Le ribosome possède trois sites de fixation des ARNt : le site A accueille l’aminoacyl-ARNt, le site P porte l’ARNt associé au peptide et le site E permet la sortie de l’ARNt déchargé.
📌 Quand un codon STOP UAA, UAG ou UGA arrive au site A, aucun ARNt ne s’y fixe; le facteur de libération eRF déclenche la libération du polypeptide et la dissociation du complexe.
Compléments
La translocation déplace le ribosome de trois nucléotides, soit un codon, et nécessite le facteur d’élongation eEF-2.
Plusieurs ribosomes peuvent traduire simultanément le même ARNm en polyribosome, avec un espacement de 100 à 200 nucléotides entre ribosomes.
Initiation → élongation → terminaison : le ribosome démarre, allonge, puis libère.
★ À maîtriser
📌 Les ARNm procaryotes sont souvent polycistroniques et portent des séquences Shine-Dalgarno en amont des sites d’initiation, tandis que les ARNm eucaryotes sont monocistroniques, portent une coiffe 7-méthyl-guanosine et sont scannés depuis l’extrémité 5’.
📌 Les protéines traduites par des ribosomes libres dans le cytosol sont adressées aux mitochondries, aux plastes ou aux peroxysomes, tandis que celles traduites par des ribosomes associés au RER empruntent la voie du RE, du Golgi et des vésicules vers les lysosomes, la membrane plasmique ou la sécrétion.
Le transfert d’une protéine soluble dans le RER commence par la reconnaissance du peptide signal par la SRP, qui amène le ribosome au récepteur SRP et au canal Sec61p; la traduction reprend vers la lumière du RE, puis la signal-peptidase clive le peptide signal et libère la protéine.
L’appareil de Golgi est polarisé : sa face cis est orientée vers le noyau et reçoit les vésicules du RE, tandis que sa face trans est orientée vers la membrane plasmique et trie les molécules vers leur destination.
Compléments
Les régions non traduites UTR se trouvent aux extrémités des ARNm et ne sont pas traduites en protéines.
Le réticulum endoplasmique est un réseau de tubules et de citernes délimité par une membrane continue qui prolonge la membrane externe de l’enveloppe nucléaire.
Dans l’expérience de pulse-chase sur des cellules pancréatiques, le marqueur apparaît dans le RER après 3 minutes, dans le Golgi après 7 minutes et dans des vésicules ou à l’extérieur de la cellule après 120 minutes.
Les protéines destinées aux membranes possèdent une ou plusieurs régions hydrophobes transmembranaires, souvent en hélice α de 20 à 25 acides aminés, et leur orientation est conservée pendant le transport dans la voie de sécrétion.
Dans le RE, les protéines peuvent subir : la formation de ponts disulfure, la N-glycosylation sur l’asparagine, l’ajout de résidus glycolipidiques, le repliement ou l’assemblage des polypeptides
Le REL ne porte pas de ribosomes et participe :
Le Golgi modifie les protéines, notamment par modification de la N-glycosylation, O-glycosylation et sulfatation, et étiquette les protéines pour leur adressage final.
📌 Les vésicules à coatomère participent à la sécrétion constitutive, tandis que les vésicules à clathrine interviennent dans la sécrétion régulée ou le transport vers les endosomes et les lysosomes.
RE → Golgi → destination : la voie de sécrétion progresse du cis vers le trans.
★ À maîtriser
La réplication de l’ADN et la mitose, qui divise la cellule en deux cellules, sont les deux phénomènes fondamentaux de l’auto-reproduction cellulaire.
L’interphase comprend les phases G1, S et G2, suivies de la mitose.
Compléments
G1 → S → G2 → M : croissance, copie de l’ADN, préparation, division.
★ À maîtriser
📌 Le cycle cellulaire ne progresse vers une nouvelle phase que si la précédente est achevée et si les conditions permettent la réalisation de la phase suivante.
📌 Le point de contrôle G1, ou point de restriction, vérifie en fin de G1 que la croissance est suffisante et que l’environnement est favorable avant l’entrée en phase S.
Le point de contrôle G2 autorise l’entrée en mitose si :
Les Cdk sont des protéines-kinases présentes en quantité constante au cours du cycle et inactives seules; leur association avec une cycline, dont la quantité varie, forme un facteur d’entrée actif.
Compléments
📌 Le point de contrôle M intervient pendant la métaphase et vérifie que tous les chromosomes sont alignés sur la plaque métaphasique avant leur séparation.
★ À maîtriser
L’association d’une cycline et d’une Cdk active la Cdk et forme un facteur d’entrée.
La cycline G1 associée à une Cdk favorise l’entrée en phase S lorsque les conditions sont favorables, ce qui déclenche la réplication de l’ADN.
Le MPF, formé d’une cycline mitotique et d’une Cdk, phosphoryle des protéines associées à l’enveloppe nucléaire, les histones et le cytosquelette, entraînant la disparition de l’enveloppe, la condensation de la chromatine et la mise en place de l’appareil mitotique.
Compléments
Après le franchissement de G1, les cyclines sont dégradées tandis que les Cdk persistent, ce qui évite des réplications successives.
Les cyclines mitotiques sont rapidement dégradées par protéolyse après leur action afin d’éviter des divisions successives anormales.
Les ubiquitines acheminent les cyclines vers le protéasome, une structure cellulaire qui n’est pas un organite.
★ À maîtriser
📌 Un arrêt non pathologique en G0 peut durer plusieurs années avant une reprise du cycle ou une différenciation, tandis qu’une dérégulation pathologique peut provoquer une prolifération cellulaire, une tumeur et un cancer.
L’enveloppe nucléaire comprend deux membranes séparées par un espace périnucléaire de 1 à 50 nm et est observable uniquement en microscopie électronique à transmission.
Les pores nucléaires assurent les échanges entre nucléoplasme et cytoplasme, notamment la sortie d’ARN et de ribosomes et l’entrée de protéines, d’ions, de sucres et de nucléotides.
Compléments
Une cellule engagée dans la différenciation peut, dans certaines conditions, se dédifférencier et redevenir une cellule indifférenciée capable de se diviser.
Une cellule peut se diviser environ une cinquantaine de fois, puis entre nécessairement en apoptose.
La membrane externe de l’enveloppe nucléaire peut se prolonger en réticulum endoplasmique granuleux et porter des ribosomes.
Un noyau contient environ 4000 pores nucléaires, dont le diamètre est de 9 nm et peut atteindre 25 nm par déformation du complexe.
📌 Les molécules de masse moléculaire inférieure à 70 kDa traversent facilement les pores, tandis que les complexes plus volumineux nécessitent une déformation du pore ou de la particule.
Un noyau entouré d’une double enveloppe percée de pores en roue de charrette.
★ À maîtriser
La lamina est un réseau protéique de 15 à 50 nm d’épaisseur, constitué de lamines A, B et C, qui rigidifie l’enveloppe nucléaire et sert de site d’ancrage à la chromatine dense.
Le nucléole comprend trois sous-éléments :
Le nucléole regroupe les gènes codant les ARN ribosomiques, où ceux-ci sont transcrits et assemblés en ribosomes ensuite libérés dans le cytoplasme.
Compléments
Au niveau des pores nucléaires, la lamina est absente et le complexe du pore comprend trois anneaux — cytoplasmique, médian et interne — associés à des filaments et à une molécule centrale régulatrice.
Les composants granulaires du nucléole sont des particules de 15 à 25 nm, riches en ARN et en protéines, correspondant à des sous-unités ribosomales.
★ À maîtriser
Les histones sont des protéines basiques structurales qui compactent l’ADN, tandis que les protéines non-histones participent notamment à l’expression et au contrôle de l’expression des gènes.
Les histones nucléosomiques H2A, H2B, H3 et H4 forment le nucléosome, tandis que l’histone H1 se situe entre les nucléosomes et n’en est pas constitutive.
📌 L’hétérochromatine reste condensée pendant l’interphase et correspond à de l’ADN inactif non transcrit, tandis que l’euchromatine est moins condensée et active, transcrite ou en cours de réplication.
Compléments
Chaque nucléosome comprend deux exemplaires de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4, autour desquelles s’enroule l’ADN, avec une histone H1 associée.
Environ 80 à 90 % de l’ADN est sous forme d’hétérochromatine et les 10 à 20 % restants correspondent à l’euchromatine.
Nucléofilament → solénoïde → hétérochromatine → chromosome.
★ À maîtriser
La réplication de l’ADN permet son auto-reproduction et comporte des yeux de réplication, zones où l’ADN forme des boucles.
Chaque gène peut être transcrit en ARNm, qui servira ensuite à produire des protéines.
📌 La mitose divise une cellule somatique en deux cellules filles généralement génétiquement identiques, tandis que la cytodiérèse partage le cytoplasme.
En métaphase, les chromosomes alignés sur le plan équatorial sont sous tension, et le point de contrôle M vérifie leur alignement ainsi que la compatibilité de l’environnement avec la suite du processus.
En anaphase, la cohésine du centromère est dégradée par les séparases, les chromatides sœurs se séparent, les microtubules polaires s’allongent et les microtubules kinétochoriens raccourcissent pour tirer les chromatides vers les pôles.
Dans les cellules animales, un anneau contractile d’actine et de myosine forme un sillon de division perpendiculaire au fuseau mitotique, puis les microtubules interzonaux persistent transitoirement dans un corps intermédiaire.
Compléments
La mitose nucléaire est suivie de la cytodiérèse :
En prophase, les condensines contribuent à la condensation des chromosomes et la topoisomérase II aide à les séparer et à éviter leur enchevêtrement.
En prophase, les centrosomes dupliqués en phase S organisent les microtubules et migrent vers deux pôles opposés, déterminant l’orientation de la division.
Les chromatides sœurs migrent vers les pôles à environ 1 μm par minute pendant l’anaphase.
En télophase, l’enveloppe nucléaire et la lamina se reforment autour de chaque lot chromosomique, les chromosomes se décondensent et les nucléoles réapparaissent.
Prophase → prométaphase → métaphase → anaphase → télophase → cytodiérèse.
★ À maîtriser
📌 Les cellules végétales n’ont ni centrioles ni asters, mais forment un fuseau mitotique avec des microtubules polaires et kinétochoriens.
📌 La cytodiérèse animale se fait par étranglement centripète, tandis que la cytodiérèse végétale forme une plaque cellulaire centrifuge au niveau du phragmoplaste.
Compléments
Animal : sillon centripète ; végétal : plaque centrifuge.
★ À maîtriser
📌 La méiose I est réductionnelle car elle sépare les chromosomes homologues et réduit le nombre chromosomique, tandis que la méiose II est équationnelle car elle sépare les chromatides sœurs sans modifier ce nombre.
En prophase I, les chromosomes homologues s’apparient, réalisent la synapsis, puis échangent des segments d’ADN par crossing-over avant de se désapparier en restant associés aux chiasmas.
Lors de la métaphase I, les bivalents s’alignent sur la plaque équatoriale avec un chromosome homologue orienté vers chaque pôle, et la répartition des chromosomes maternels et paternels est aléatoire.
Le brassage interchromosomique résulte de la ségrégation aléatoire des chromosomes homologues entre la métaphase I et l’anaphase I.
Compléments
La prophase I comprend cinq étapes :
Une courte intercynèse suit la méiose I sans réplication de l’ADN, mais avec duplication du centrosome.
Le nombre de gamètes génétiquement différents issu du brassage interchromosomique est de l’ordre de , où n est le nombre haploïde de chromosomes ; chez l’humain, n = 23 et le nombre est d’environ 8,4 × 10⁶.
Le brassage intrachromosomique se produit par crossing-over en prophase I, avec en moyenne deux à trois crossing-over par paire de chromosomes.
La fécondation contribue à la variabilité génétique parce que la rencontre de deux gamètes est aléatoire.
| Caractéristique | Procaryote | Eucaryote |
|---|---|---|
| Noyau | Absent | Présent, avec enveloppe |
| Taille générale | 1 à 10 μm | 10 à 100 μm |
| Matériel génétique | Chromosome circulaire sans histones associées | Au moins deux chromosomes linéaires associés à des histones |
| Compartimentation | Pas d’organites ni de système membranaire interne | Organites délimités par une ou deux membranes |
| Organite | Rôle énergétique | Particularité |
|---|---|---|
| Mitochondrie | Production d’ATP par respiration aérobie | Chaîne respiratoire et ATP synthase dans la membrane interne |
| Chloroplaste | Conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique | Photosystèmes et ATP synthase dans les membranes thylakoïdales |
| Peroxysome | Coopère à la production énergétique sans produire directement l’ATP | Oxydation de substrats et détoxification par le peroxyde d’hydrogène |
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1. Quel énoncé exprime les deux principes fondamentaux de la théorie cellulaire ?
2. Dans une cellule, une molécule hydrosoluble doit traverser la membrane plasmique. Quel mécanisme lui permet de franchir la barrière hydrophobe de la bicouche lipidique ?
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Que stipule la théorie cellulaire sur la composition des êtres vivants ?
Tous les êtres vivants sont constitués d’au moins une cellule.
Que proposent Schleiden et Schwann en 1838 sur les tissus végétaux et animaux ?
Ils proposent qu’ils sont constitués de cellules.
Que démontre Pasteur en 1861 sur l’origine des micro-organismes ?
Ils proviennent de micro-organismes préexistants.
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