Fiche de révision : Biologie cellulaire : la cellule

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la théorie cellulaire
2. Définition et fonctions cellulaires
3. Classification du vivant cellulaire
4. Comparaison procaryotes-eucaryotes
5. Diversité des cellules eucaryotes
6. Organisation de la cellule animale
7. Modèles d’étude cellulaire
8. Principes de microscopie
9. Microscopie optique et fluorescence
10. Préparation des échantillons
11. Préparation et coloration des cellules
12. Marquages en microscopie optique
13. Microscopie électronique
14. Traitement et comparaison des images
15. Méthodes de tri cellulaire
16. Gradient de densité

📖 1. Fondements de la théorie cellulaire

★ À maîtriser

• Robert Hooke a observé pour la première fois des cellules en 1665 dans une mince tranche de liège et les a nommées d’après le latin cellula, qui signifie « petite chambre ».

• Entre 1837 et 1839, Schleiden et Schwann ont établi que les cellules végétales et animales sont les unités structurales et fonctionnelles du vivant.

📌 Virchow a ajouté que la cellule est aussi l’unité reproductrice du vivant, car une cellule peut donner naissance à de nouvelles cellules.

Compléments

📌 Lors d’une reproduction asexuée, les cellules filles sont identiques à la cellule mère, tandis que lors d’une reproduction sexuée, elles portent des caractéristiques provenant du père et de la mère.

💡 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, à la fois autonome, reproductrice, fonctionnelle et délimitée par une membrane sélective.
• Membrane sélective : Régule les échanges entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire ainsi qu’entre les compartiments intracellulaires.

★ À maîtriser

📌 Une cellule possède une autonomie limitée : elle peut se reproduire, capter et transmettre des informations, mais elle doit généralement interagir avec d’autres cellules pour maintenir durablement ses fonctions.

• Toutes les cellules synthétisent des acides nucléiques, des protéines, des glucides et des lipides, qui participent respectivement à l’information génétique, aux fonctions cellulaires, à la structure et à l’énergie.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Autonomie réelle, mais autonomie limitée par les besoins d’interaction

📖 3. Classification du vivant cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Acaryotes : Entités biologiques non vivantes qui ne sont ni des cellules procaryotes ni des cellules eucaryotes, car ils ne sont pas autonomes et ne peuvent pas se reproduire seuls.

★ À maîtriser

📌 Le vivant comprend deux classes cellulaires, les procaryotes et les eucaryotes, réparties dans trois domaines : les eubactéries, les archaebactéries et les eucaryotes.

• Les ARN ribosomaux des eucaryotes, des archaebactéries et des eubactéries présentent des similitudes, ce qui suggère une origine évolutive commune et permet d’étudier les relations entre ces groupes.

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

• Les virus et les bactériophages se reproduisent en utilisant la machinerie d’une cellule hôte, puis leur multiplication peut entraîner la lyse de cette cellule et l’infection d’autres cellules.

Compléments

• Les eucaryotes dérivent d’un sous-groupe d’archaebactéries appelé les hods ou Hodarchaeales.

💡 Astuce mémo

Deux classes : procaryotes et eucaryotes ; trois domaines : EAE

📖 4. Comparaison procaryotes-eucaryotes

★ À maîtriser

• Les procaryotes ont un diamètre moyen d’environ 1 μm, tandis que les eucaryotes mesurent généralement de 10 à 100 μm.

• Les procaryotes ne possèdent pas de noyau et ont leur matériel génétique libre dans le cytoplasme, tandis que les eucaryotes possèdent un noyau délimité par une enveloppe nucléaire.

• Les procaryotes ne possèdent pas d’organites, tandis que les eucaryotes possèdent notamment des mitochondries et des chloroplastes dotés d’un génome propre.

• La scissiparité procaryote comprend la duplication de l’ADN, l’attachement des copies à des points différents de la membrane, l’allongement cellulaire, la contraction de la membrane et de la paroi, puis la formation de deux cellules filles.

Compléments

📌 Le génome des procaryotes contient environ 1×10^6 à 5×10^6 paires de bases, tandis que celui des eucaryotes contient environ 1,5×10^7 à 5×10^9 paires de bases.

💡 Astuce mémo

Procaryote sans noyau, eucaryote avec noyau et organites

📖 5. Diversité des cellules eucaryotes

★ À maîtriser

• Les principaux protistes sont:
  • 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.

• Toutes les cellules somatiques d’un même organisme multicellulaire possèdent le même génome et proviennent de la cellule-œuf fécondée, mais elles acquièrent des propriétés différentes par spécialisation.

• Les tissus fondamentaux sont:

  • Les épithéliums
  • Les tissus de soutien conjonctifs
  • Les tissus musculaires
  • Les tissus 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 5×10^13 et 10×10^13.

💡 Astuce mémo

Spécialisation cellulaire → organisation en tissus et organes

📖 6. Organisation de la cellule animale

🔑 Notions clés & Définitions

• Membrane plasmique : Barrière protectrice universelle qui contrôle les échanges entre les milieux intracellulaire et extracellulaire.
• Cytoplasme : Milieu aqueux et visqueux composé du cytosol et des organites, dans lequel se déroulent le stockage, le transit et des réactions métaboliques importantes.

★ À maîtriser

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

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

• Le cytoplasme contient environ 85 % d’eau, possède un pH proche de 7 et contient des protéines à une concentration d’environ 200 mg/ml.

• L’endosymbiose mitochondriale correspond à la phagocytose d’une eubactérie aérobie par une cellule eucaryote ancestrale anaérobie, suivie d’une symbiose ayant produit une cellule eucaryote aérobie.

📌 La compartimentation intracellulaire augmente le rapport surface membranaire/volume et permet à des réactions biochimiques simultanées mais incompatibles de se dérouler dans des compartiments différents.

Compléments

• Les lysosomes digèrent les macromolécules grâce à leurs enzymes, les vésicules assurent des échanges entre compartiments et avec l’extérieur, et les peroxysomes oxydent certaines molécules organiques.

💡 Astuce mémo

Une cellule compartimentée comme une usine, avec des ateliers reliés par des vésicules

📖 7. Modèles d’étude cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Souris knockout : Souris chez laquelle un gène a été totalement supprimé afin d’étudier les conséquences de son absence et d’identifier sa fonction.

📝 Points essentiels

• Les principaux 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 cellulaire
  • Caenorhabditis elegans : apoptose

📖 8. Principes de microscopie

📝 Points essentiels

📌 La microscopie optique utilise la lumière et permet une résolution d’environ 0,2 μm, tandis que la microscopie électronique atteint une résolution d’environ 0,2 nm.

• L’œil humain distingue des objets jusqu’à environ 0,2 mm, tandis qu’une cellule eucaryote moyenne mesure entre 10 et 20 μm et doit être observée au microscope optique.

📌 Le choix du microscope dépend de la structure à observer : le microscope optique convient à la cellule entière, tandis que le microscope électronique est pertinent pour les organites.

💡 Astuce mémo

MO pour la cellule, ME pour les ultrastructures

📖 9. Microscopie optique et fluorescence

★ À maîtriser

• Le microscope optique utilise la lumière blanche, peut atteindre un grossissement de ×1000 et permet principalement d’observer la membrane plasmique, le cytoplasme et parfois le noyau, mais pas les organites.

• En microscopie à fluorescence, un fluorochrome est excité par une longueur d’onde sélectionnée par un premier filtre et émet une autre longueur d’onde sélectionnée par un second filtre, avec une longueur d’émission supérieure à la longueur d’excitation.

• 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

• Les coupes destinées à la microscopie optique ont généralement une épaisseur comprise entre 2 et 8 μm.

💡 Astuce mémo

Excitation → émission → filtrage → image fluorescente

📖 10. Préparation des échantillons

🔑 Notions clés & Définitions

• Fixation : Permet de figer une cellule à un instant donné de son cycle afin de conserver l’état précis que l’on souhaite observer.

★ À maîtriser

• 🔄 La préparation d’une coupe comprend:
  1. Fixation
  2. Déshydratation
  3. Inclusion
  4. Coupe
  5. Coloration si nécessaire

Compléments

📌 La déshydratation élimine l’eau de la cellule, qui représente environ 85 % de sa composition, afin de limiter la diffraction lumineuse et d’améliorer la qualité de l’image.

📌 L’inclusion rigidifie les cellules avant la coupe afin d’éviter leur écrasement et de préserver l’organisation interne ainsi que la répartition des protéines.

💡 Astuce mémo

Fixer → déshydrater → inclure → couper → colorer

📖 11. Préparation et coloration des cellules

★ À maîtriser

• La déshydratation limite la diffraction excessive de la lumière en retirant une partie de l’eau, qui constitue environ 85 % de la composition cellulaire, et améliore ainsi la qualité de l’image.

• L’inclusion rigidifie les cellules molles afin que la pression de coupe reste localisée et conserve leur organisation interne ainsi que la répartition des protéines.

📌 En microscopie confocale, la coloration utilise un fluorochrome lié à un anticorps, tandis qu’en microscopie optique de base à faible grossissement elle n’est nécessaire que pour observer certaines parties cellulaires.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Déshydrater → inclure → couper → colorer

📖 12. Marquages en microscopie optique

★ À maîtriser

📌 L’hématoxyline colore en bleu le noyau en se liant aux charges négatives de l’ADN, tandis que l’éosine colore en rose ou violet le cytoplasme et la matrice extracellulaire.

📌 Le DAPI, peu perméant, marque plus facilement l’ADN lorsque la membrane cellulaire est dégradée, tandis que le Hoechst, plus perméant, traverse la membrane intacte.

• Le marquage indirect à la GFP consiste à insérer dans un vecteur l’ADN de la protéine d’intérêt et le gène de la GFP, à transfecter la cellule, puis à produire une protéine d’intérêt fusionnée à une GFP fluorescente.

• En immunocytochimie ou immunohistochimie, un anticorps couplé à un fluorochrome reconnaît l’épitope de la protéine d’intérêt, puis un lavage élimine les anticorps non fixés ; une fluorescence après lavage confirme donc indirectement la présence de cette protéine.

• La FISH utilise des sondes fluorescentes d’ADN ou d’ARN complémentaires qui s’hybrident à des séquences nucléiques pour détecter des anomalies du nombre ou de la structure des chromosomes, comme une translocation ou une délétion.

Compléments

• Oil Red O colore en rouge les lipides intracellulaires, notamment ceux des membranes plasmiques, nucléaires et des organites.

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

💡 Astuce mémo

Direct = le colorant cible ; indirect = l’anticorps guide

📖 13. 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 atteint théoriquement un grossissement de 1 000 000, mais le grossissement réel est de 500 000 à 800 000, avec une résolution maximale de 0,2 ou 0,1 nm.

📌 Le MET observe l’intérieur cellulaire en deux dimensions avec des coupes de 60 à 100 nm et une résolution réelle de 0,1 nm, tandis que le MEB observe la surface cellulaire en trois dimensions sans réaliser de coupe.

📌 La microscopie optique utilise des photons, atteint un grossissement de 1 000 et une résolution de 0,2 μm avec des coupes de 2 à 8 μm, tandis que la microscopie électronique utilise des électrons, atteint un grossissement de 800 000 et une résolution de 0,2 nm avec des coupes de 60 à 100 nm.

Compléments

• En microscopie électronique, l’acétate d’uranium et le citrate de plomb apportent du contraste car les métaux lourds diffusent fortement les électrons.

• En MET, l’image est en noir et blanc, et les éléments plus sombres sont plus denses aux électrons ; un anticorps couplé à de l’or colloïdal peut localiser spécifiquement une protéine sans utiliser de fluorescence.

• Le MEB a un pouvoir de résolution dix fois plus faible que celui du MET, car la diffraction des électrons sur les métaux lourds réduit l’énergie disponible.

💡 Astuce mémo

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

📖 14. Traitement et comparaison des images

★ À maîtriser

• Lorsque les signaux vert et rouge se superposent et donnent du jaune, cela indique que les deux marqueurs se trouvent au même endroit.

Compléments

• Les logiciels de traitement d’image peuvent superposer plusieurs images obtenues avec différents anticorps afin de comparer la localisation de plusieurs signaux.

💡 Astuce mémo

Vert + rouge = jaune : deux signaux au même endroit

📖 15. Méthodes de tri cellulaire

★ À maîtriser

📌 La cytométrie en flux différencie les populations cellulaires d’un mélange hétérogène, tandis que le FACS les caractérise et les trie dans des tubes distincts.

• En FACS, les cellules marquées par un anticorps couplé à un fluorochrome passent une par une dans un tube en verre, sont différenciées selon leur fluorescence, puis sont dirigées vers des tubes distincts.

Compléments

• Le tri cellulaire sert à obtenir une culture à partir d’un tissu ou d’une suspension cellulaire hétérogène, mais il coûte au minimum 300 000 à 500 000 euros.

• La cytométrie en flux classique analyse plusieurs centaines de milliers de cellules en très peu de temps, tandis que le FACS ne traite que quelques milliers de cellules par minute.

• La cytométrie en flux peut suivre des cellules vivantes, contrairement à la microscopie à fluorescence qui nécessite des coupes tuant les cellules.

💡 Astuce mémo

Marquer, retenir, séparer : anticorps → aimant → élution

📖 16. Gradient de densité

★ À maîtriser

• Les billes magnétiques permettent de sélectionner des cellules dont un antigène de surface est reconnu par un anticorps couplé à une bille, de retenir ces cellules avec un aimant, d’éliminer les autres par centrifugation, puis d’éluer les cellules retenues après retrait de l’aimant.

• Le gradient de densité sépare les types cellulaires selon leur propre densité après centrifugation dans un tube contenant des couches de saccharose de concentrations croissantes.

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

Densités différentes → couches cellulaires séparées après centrifugation

📊 Tableaux de synthèse

Procaryotes et eucaryotes

Microscopies et résolution