Fiche de révision : Biologie cellulaire fondamentale

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la théorie cellulaire
2. Définition et fonctions cellulaires
3. Classes et domaines du vivant
4. Acaryotes et cellules procaryotes
5. Diversité des cellules eucaryotes
6. Organisation de la cellule animale
7. Interactions et modèles cellulaires
8. Principes de microscopie
9. Microscopie optique et préparation
10. Préparation et coloration en microscopie optique
11. Marquages spécifiques en microscopie
12. Microscopie électronique
13. Comparaison et traitement des images
14. Techniques de tri cellulaire

📅 Repères chronologiques

1. 1665Robert Hooke observe une mince tranche de liège et nomme « cellules » les petites chambres répétées qu’il voit.
2. 1837-1839Schleiden et Schwann établissent que les cellules sont les unités structurales et fonctionnelles du vivant.
3. 2021 et 2023La découverte des hods puis sa publication dans la revue Nature ont lieu.

📖 1. Fondements de la théorie cellulaire

📝 Points essentiels

• 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, partiellement autonome, reproductrice et fonctionnelle.

★ À maîtriser

📌 La membrane sélective régule les échanges entre les milieux intracellulaire et extracellulaire, et l’enveloppe nucléaire régule aussi les échanges entre cytoplasme et noyau.

• Les cellules sont principalement constituées de:
  • acides nucléiques
  • protéines
  • lipides
  • glucides

📌 L’ADN et l’ARN portent l’information génétique et interviennent dans la reproduction cellulaire ainsi que dans la production des protéines.

• Les protéines assurent des fonctions de catalyse, de transport, de structure et de mouvement cellulaire.

Compléments

• Les pseudopodes permettent le déplacement cellulaire en se formant en réponse à des signaux, en se remplissant de composants cellulaires, puis en entraînant la cellule dans une direction tandis que l’extrémité opposée disparaît.

💡 Astuce mémo

Autonomie réelle, mais autonomie limitée par les interactions cellulaires

📖 3. Classes et domaines du vivant

★ À maîtriser

📌 Les deux grandes classes cellulaires sont les procaryotes et les eucaryotes.

📌 Les procaryotes mesurent environ 1 μm, possèdent un matériel génétique libre sans noyau et dépourvu d’organites, tandis que les eucaryotes mesurent généralement 10 à 100 μm, possèdent un noyau et des organites.

• La scissiparité procaryote consiste à dupliquer l’ADN, attacher les copies à des points distincts de la membrane, allonger la cellule, séparer les copies vers des pôles opposés, puis refermer la membrane et la paroi pour former deux cellules filles.

• Les trois domaines du vivant sont:

  • les eubactéries
  • les archaebactéries
  • les eucaryotes

Compléments

• Le génome des procaryotes comprend environ 1×10⁶ à 5×10⁶ paires de bases, tandis que celui des eucaryotes comprend environ 1,5×10⁷ à 5×10⁹ paires de bases.

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

💡 Astuce mémo

Procaryote sans noyau, eucaryote avec noyau

📖 4. Acaryotes et cellules procaryotes

🔑 Notions clés & Définitions

• Acaryotes : Entités biologiques non vivantes qui ne sont pas autonomes, ne se reproduisent pas seules et ne possèdent pas de métabolisme propre.

📝 Points essentiels

• Les virus se reproduisent dans des cellules eucaryotes hôtes, tandis que les bactériophages se reproduisent dans des cellules procaryotes hôtes.

• Une cellule procaryote possède au minimum un cytoplasme, des ribosomes, un nucléoïde contenant l’ADN et une membrane plasmique, auxquels peuvent s’ajouter une paroi et une capsule.

💡 Astuce mémo

Absence d’autonomie → dépendance à une cellule hôte chez les acaryotes

📖 5. Diversité des cellules eucaryotes

★ À maîtriser

• Les protistes comprennent:
  • les protozoaires
  • les levures
  • les algues

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

• Les cellules somatiques d’un même organisme multicellulaire possèdent le même génome, proviennent de l’œuf fécondé et se différencient en plus de 200 types cellulaires humains.

• Les tissus fondamentaux sont:

  • les épithéliums
  • les tissus de soutien conjonctifs
  • les tissus musculaires
  • les tissus nerveux

Compléments

• Les levures ont une nutrition hétérotrophe, dégradent des sucres et d’autres composés organiques, et se reproduisent de manière asexuée.

• Les algues utilisent la lumière solaire, le dioxyde de carbone dissous dans l’eau de mer et les sels minéraux grâce à leurs chloroplastes et à la photosynthèse.

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

💡 Astuce mémo

Protistes autonomes, cellules spécialisées dépendantes dans les organismes multicellulaires

📖 6. Organisation de la cellule animale

★ À maîtriser

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

• Le noyau contient tout l’ADN cellulaire et une partie de l’ARN, tandis que la mitochondrie assure la respiration cellulaire et la production d’énergie.

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

• Les lysosomes contiennent des enzymes qui digèrent les macromolécules et transforment aussi certaines molécules, plutôt que de fonctionner uniquement comme une poubelle cellulaire.

• Le cytoplasme est constitué du cytosol et des organites, contient environ 85 % d’eau, possède un pH d’environ 7 et une concentration protéique de 200 mg/ml.

Compléments

• Le cytoplasme sert de réserve de matériaux, de lieu de réactions métaboliques, de lieu de transduction du signal et de compartiment de transit moléculaire.

💡 Astuce mémo

Une cellule comme une usine : noyau, mitochondries, réseau de transport et cytoplasme

📖 7. Interactions et modèles cellulaires

★ À maîtriser

• Les mitochondries seraient issues de l’endosymbiose d’une eubactérie aérobie phagocytée par une cellule eucaryote ancestrale anaérobie, suivie d’une symbiose.

📌 La communication paracrine agit entre cellules proches, la communication autocrine agit sur la cellule qui sécrète le signal, et la communication endocrine utilise le sang, notamment pour les hormones.

• Les organismes modèles sont utilisés notamment pour étudier:
  • Escherichia coli : réplication de l’ADN et synthèse protéique
  • Saccharomyces cerevisiae : division cellulaire
  • Drosophila melanogaster : développement embryonnaire
  • Caenorhabditis elegans : apoptose

Compléments

• L’endocytose fait entrer des éléments dans la cellule, l’exocytose en fait sortir, et la phagocytose permet l’entrée d’éléments de grande taille.

📌 Une souris Knock Out possède un gène totalement supprimé, ce qui permet d’étudier la fonction de ce gène en observant les conséquences de son absence lorsque la souris reste viable.

💡 Astuce mémo

P-A-E : paracrine, autocrine, endocrine

📖 8. Principes de microscopie

★ À maîtriser

📌 La microscopie optique utilise la lumière et atteint théoriquement 0,1 μm, tandis que la microscopie électronique est environ 1000 fois plus précise et atteint théoriquement 0,1 nm.

• Une cellule eucaryote mesure en moyenne 10 à 20 μm, ce qui la rend observable au microscope optique mais pas entièrement au microscope électronique.

• Le microscope optique possède un grossissement maximal d’environ ×1000 et une résolution de 0,2 μm, permettant surtout d’observer la membrane plasmique, le cytoplasme et parfois le noyau.

• En microscopie à fluorescence, un fluorochrome est excité par une longueur d’onde puis émet une longueur d’onde supérieure, sélectionnée par un second filtre.

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

Compléments

• En pratique, les résolutions sont proches de 0,2 mm pour l’œil nu, 0,2 μm pour le microscope optique et 0,2 nm pour le microscope électronique.

💡 Astuce mémo

MO : cellules entières ; ME : organites et structures nanométriques

📖 9. Microscopie optique et préparation

🔑 Notions clés & Définitions

• Déshydratation : Élimination de l’eau présente dans une cellule lors de la préparation microscopique afin de limiter la perturbation du passage de la lumière.

★ À maîtriser

• La fixation immobilise une cellule à un instant donné de son cycle afin de conserver la phase étudiée pendant la préparation microscopique.

Compléments

• Les coupes destinées au microscope optique ont une épaisseur comprise entre 2 et 8 μm.

💡 Astuce mémo

Fixer → déshydrater → couper → colorer

📖 10. Préparation et coloration en microscopie optique

🔑 Notions clés & Définitions

• Fixation : fige une cellule à un instant donné de son cycle afin de conserver exactement la phase étudiée, notamment pendant une division cellulaire
• Déshydratation : élimine l’eau cellulaire, qui représente environ 85 % de la composition de la cellule, afin de limiter la diffraction de la lumière et d’améliorer la qualité de 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 suit les étapes suivantes:

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

• En microscopie optique, l’hématoxyline colore le noyau et le matériel génétique en bleu, tandis que l’éosine colore le cytoplasme et la matrice extracellulaire en rose ou violet.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Fixer, déshydrater, inclure, couper, colorer

📖 11. Marquages spécifiques en microscopie

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

📌 Le DAPI est un fluorochrome bleu peu perméant, tandis que le Hoechst est perméant et traverse les membranes cellulaires.

• 🔄 Le marquage indirect à la GFP comprend les étapes suivantes:

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

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

Compléments

• La GFP est une protéine fluorescente d’environ 30 kDa, et son ajout peut gêner l’entrée de la protéine fusionnée dans le noyau, qui concerne approximativement les protéines de moins de 50 à 60 kDa.

💡 Astuce mémo

Direct : le colorant cible ; indirect : l’anticorps guide le marqueur

📖 12. Microscopie électronique

★ À maîtriser

• Le microscope électronique utilise un faisceau d’électrons émis par un filament de tungstène chauffé et focalisé par des bobines magnétiques.

• La microscopie électronique nécessite des métaux lourds, notamment l’acétate d’uranium ou le citrate de plomb, pour augmenter le contraste des échantillons biologiques.

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

• Le MET nécessite des coupes de 60 à 100 nm et possède une limite de résolution réelle de 0,1 nm, permettant de visualiser les organites et les feuillets de la membrane plasmique.

Compléments

📌 Le MEB a un pouvoir de résolution dix fois plus faible que le MET en raison de la diffraction des électrons par le revêtement de métaux lourds.

• En microscopie électronique, l’or colloïdal couplé à des anticorps permet de localiser des protéines sans utiliser de fluorescence et de distinguer deux protéines grâce à des particules de diamètres différents.

💡 Astuce mémo

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

📖 13. Comparaison et traitement des images

★ À maîtriser

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

Compléments

• Les coupes de microscopie optique ont une épaisseur de 2 à 8 μm, tandis que les coupes de microscopie électronique ont une épaisseur de 60 à 100 nm.

• Un logiciel de traitement d’image peut superposer plusieurs marquages, et la superposition d’un signal vert et d’un signal rouge produisant du jaune indique leur présence au même endroit.

💡 Astuce mémo

Photons et résolution micrométrique contre électrons et résolution nanométrique

📖 14. Techniques de tri cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytométrie en flux : différencie et trie des types cellulaires d’un mélange hétérogène grâce à des anticorps et fluorochromes, en fonction des longueurs d’onde d’émission détectées
• Gradient de densité : sépare les cellules d’un mélange hétérogène après centrifugation selon leur propre densité dans des couches de saccharose de concentrations croissantes

★ À maîtriser

• La sélection par billes magnétiques repose sur un anticorps couplé à une bille qui reconnaît un antigène de surface, puis sur l’attraction des cellules marquées par un aimant et leur élution après retrait de l’aimant.

Compléments

• Le tri cellulaire est utilisé pour obtenir une population à partir d’un tissu ou d’une suspension hétérogène, mais son coût peut atteindre au minimum 300 000 à 500 000 euros.

💡 Astuce mémo

Marquer, séparer, récupérer

📊 Tableaux de synthèse

Procaryotes et eucaryotes

Modes de communication cellulaire