Fiche de révision : Cellule : structure et propriétés

Plan du Cours

  1. Membrane et échanges cellulaires
  2. Dynamique moléculaire et énergie cellulaire
  3. Catalyse des réactions cellulaires
  4. Information et transmission cellulaires
  5. Compartiments et architecture cellulaires
  6. Complexe de surface cellulaire
  7. Reproduction et différenciation cellulaires
  8. Métabolisme et types trophiques
  9. Voies énergétiques cellulaires
  10. Approvisionnement des organismes hétérotrophes
  11. Portrait et origine de LUCA
  12. Divergence des trois domaines du vivant
  13. Diversification et évolution des procaryotes
  14. Origine et caractéristiques des eucaryotes
  15. Endosymbioses et unité cellulaire

1. Membrane et échanges cellulaires

Notions clés & Définitions

  • Perméabilité sélective : La perméabilité sélective est la propriété d’une membrane de laisser traverser certaines substances plus facilement que d’autres, contrôlant ainsi les entrées et sorties de molécules et d’ions et permettant une composition intérieure différente de celle du milieu extérieur.

★ À maîtriser

  • La membrane plasmique, commune à toutes les cellules vivantes, est une bicouche de phospholipides amphiphiles et semi-perméable.

  • La membrane délimite l’intérieur de la cellule et règle les échanges sélectifs et réciproques avec l’extérieur, ce qui permet le fonctionnement cellulaire et la production de ses composants.

Compléments

📌 Une cellule morte peut conserver une délimitation membranaire, mais ses échanges avec l’extérieur ont cessé.

  • Les échanges cellulaires peuvent modifier l’environnement, notamment lorsque le rejet d’O₂ par les cyanobactéries a contribué à l’oxydation massive de la Terre primitive.
  • Les protéines transmembranaires assurent le passage de substances à travers la membrane.

2. Dynamique moléculaire et énergie cellulaire

Notions clés & Définitions

  • Énergie d’activation : Énergie à apporter à un système chimique pour qu’une réaction ait lieu.
  • Mouvement brownien : Mouvement aléatoire de particules dans un fluide.
  • Force proton-motrice : Gradient de protons H⁺.

★ À maîtriser

  • L’agitation des molécules dans le cytoplasme augmente leur probabilité de se rencontrer et d’interagir, mais ne suffit pas à modifier leur structure physico-chimique ni à créer de nouvelles molécules.

  • Dans les cellules, l’ATP et les molécules à pouvoir réducteur fournissent l’énergie nécessaire aux réactions.

  • La régénération de l’ATP par chimiosmose nécessite un gradient électrochimique, appelé force proton-motrice, qui fait fonctionner les ATP synthases membranaires.

Compléments

  • Le transfert d’électrons le long de la chaîne de transport d’électrons, lors de réactions d’oxydoréduction, expulse des protons et établit le gradient de protons.

  • Des molécules transportent des électrons et fournissent un pouvoir réducteur :

    • le NAD
    • le NADP
    • le FAD
  • Un compartiment associé à la cellule est nécessaire à la production d’ATP par chimiosmose, grâce à un gradient électrochimique transmembranaire ; l’espace périplasmique en est un exemple chez les procaryotes.

Astuce mémo

Gradient de protons → ATP synthase → ATP

3. Catalyse des réactions cellulaires

Notions clés & Définitions

  • Catalyseur : Diminue l’énergie d’activation d’une réaction.
  • Enzyme : Macromolécule biologique qui catalyse les réactions cellulaires en diminuant leur énergie d’activation.

Points essentiels

  • La transformation d’une molécule en une autre implique la rupture de liaisons chimiques existantes puis la création de nouvelles liaisons, ce qui requiert une énergie d’activation.

  • Plus l’énergie d’activation nécessaire est importante, plus la réaction est lente.

  • Les cellules utilisent des enzymes pour accélérer leurs nombreuses réactions biochimiques.

4. Information et transmission cellulaires

★ À maîtriser

  • L’ADN et l’ARN sont des molécules porteuses d’un message ou d’un savoir-faire qui peut être reproduit et transmis.

📌 Chez les procaryotes, l’ADN peut être libre dans la cellule, tandis que chez les eucaryotes il est contenu dans le noyau.

Compléments

  • La reproduction cellulaire permet de ne pas perdre les savoir-faire portés par les molécules d’information.

5. Compartiments et architecture cellulaires

Notions clés & Définitions

  • Matrice extracellulaire : Ensemble des polymères extracellulaires.

★ À maîtriser

📌 Les cellules eucaryotes possèdent des systèmes endomembranaires développés, notamment le noyau, le réticulum et l’appareil de Golgi, alors que les procaryotes n’ont pas de compartiments endomembranaires.

  • À l’intérieur des cellules, les structures filamenteuses et tubulaires du cytosquelette organisent l’espace cytoplasmique, construisent l’architecture cellulaire et permettent la division cellulaire.

  • Les cellules adhèrent à un environnement physique, appelé substratum, ou biologique, comme une autre cellule, pour se protéger, communiquer, coopérer ou se déplacer.

  • L’adhésion entre cellules peut conduire à des formes coloniales chez les organismes unicellulaires, à la pluricellularité et à des structures complexes comme les tissus.

Compléments

  • Chez les eucaryotes, les systèmes endomembranaires permettent plusieurs travaux métaboliques et l’accumulation de molécules sans perturbation réciproque au sein d’une même cellule.

  • Chez les procaryotes, certains éléments constituent des compartiments : la paroi, la membrane externe des bactéries Gram négatif, l’enveloppe, la capsule

  • Les compartiments des procaryotes peuvent contribuer aux gradients chimio-osmotiques, aux voies de sécrétion ou à la défense, notamment par le stockage d’antibiotiques.

  • La plupart des cellules vivent associées afin d’adhérer, de se protéger, de coopérer métaboliquement et de construire des structures tissulaires complexes.

  • Les cellules excrètent des polymères extracellulaires qui servent de colle pour établir une proximité avec un support physique ou biologique.

  • Des procaryotes unicellulaires peuvent s’associer pour former des biofilms.

  • Les cellules procaryotes sécrètent des substances extracellulaires, les EPS (Extrapolymeric Substances), composées de déchets cellulaires tels que des fragments de protéines et des polyoses.

6. Complexe de surface cellulaire

★ À maîtriser

  • Le complexe de surface résulte des relations fonctionnelles entre les polymères extracellulaires, la membrane et les éléments filamenteux du cytosquelette.

  • Le vivant présente un métabolisme assurant l’auto-maintien, une composante génétique transmissible par réplication et une frontière entre le soi et le non-soi.

Compléments

  • Les cellules peuvent vivre seules, en association transitoire ou permanente, ou former des populations et des communautés aux propriétés nouvelles, comme les tissus et les biofilms.

  • Les interactions, plutôt que la séparation, caractérisent la cellule dans un environnement auquel elle est reliée de façon dynamique.

  • La membrane plasmique et le complexe de surface délimitent et spécialisent un espace contrôlable, tandis que le cytoplasme concentre les molécules et permet la catalyse des réactions.

Astuce mémo

Les interactions de surface déterminent le devenir de la cellule dans son environnement.

7. Reproduction et différenciation cellulaires

★ À maîtriser

  • Lors de la reproduction, la cellule grossit, le cytosquelette sépare le matériel nucléique en deux lots génétiques identiques, puis la cellule se scinde en deux cellules par fusion ou reconstruction membranaire.

Compléments

  • La reproduction cellulaire assure la fabrication de nouvelles cellules, car les savoir-faire métaboliques sont perdus lorsque la cellule meurt.

  • La reproduction cellulaire s’inscrit dans un cycle cellulaire, au cours duquel certaines phases peuvent permettre une différenciation en types cellulaires particuliers avant leur spécialisation.

Astuce mémo

Croissance, séparation du matériel génétique, puis scission en deux cellules.

8. Métabolisme et types trophiques

Notions clés & Définitions

  • Métabolisme : Activités de synthèse et de dégradation qui renouvellent continuellement les composés organiques des êtres vivants.
  • Catabolisme : Ensemble des procédés chimiques qui dégradent et oxydent des molécules absorbées en molécules plus petites, en libérant de l’énergie.
  • Anabolisme : Ensemble des voies de synthèse qui utilisent l’énergie et les produits de dégradation issus du catabolisme pour fabriquer les molécules propres à l’organisme.

★ À maîtriser

📌 La chimiotrophie utilise l’énergie provenant de l’oxydation de molécules chimiques réduites, tandis que la phototrophie utilise l’énergie des photons du spectre lumineux.

📌 L’autotrophie au carbone utilise une source de carbone minérale comme le CO₂, tandis que l’hétérotrophie utilise une source de carbone organique comme les sucres.

Compléments

  • La respiration cellulaire dans les mitochondries est un exemple de catabolisme, tandis que la photosynthèse dans les chloroplastes et la synthèse des protéines à partir d’acides aminés sont des exemples d’anabolisme.

  • Les procaryotes présentent les quatre grands types de métabolismes trophiques, tandis que les eucaryotes pratiquent essentiellement la chimio-hétérotrophie et la photo-autotrophie.

Astuce mémo

La chimiotrophie tire l’énergie de molécules chimiques, la phototrophie de photons.

9. Voies énergétiques cellulaires

★ À maîtriser

  • 🔄 Le métabolisme énergétique chimio-hétérotrophe suit ces étapes :

    1. L’oxydation des molécules organiques débute dans le cytoplasme.
    2. L’oxydation se poursuit sur les molécules générées dans le cycle de Krebs.
    3. L’énergie des électrons libérés permet d’établir un gradient électrochimique grâce à une chaîne respiratoire
  • La phototrophie repose sur des pigments photosynthétiques capables de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique, en absorbant des photons qui excitent des électrons.

  • L’énergie cellulaire peut être convertie en :

    • Énergie chimique dans les nouvelles liaisons covalentes des molécules formées par la cellule.
    • Énergie potentielle sous forme de gradient pour les transports actifs.
    • Énergie mécanique pour le mouvement.

Compléments

  • La chaîne respiratoire est située dans la membrane plasmique chez les bactéries et dans les membranes des mitochondries chez les eucaryotes.

  • Chez les bactéries phototrophes, les complexes responsables de la photolyse et la chaîne de transport d’électrons sont localisés dans les replis membranaires appelés thylacoïdes.

  • Chez les eucaryotes, les savoir-faire de la phototrophie sont concentrés dans les chloroplastes.

  • Lors des conversions énergétiques cellulaires, une partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur.

10. Approvisionnement des organismes hétérotrophes

Notions clés & Définitions

  • Osmotrophie : Incorporation d’une nourriture dissoute par diffusion transmembranaire de molécules simples ou de faible poids moléculaire.
  • Phagotrophie : La phagotrophie concerne la matière organique particulaire, incorporée par phagocytose.
  • Mode d’approvisionnement : Manière dont un organisme acquiert sa nourriture, dépendant du type de nourriture utilisé.

★ À maîtriser

  • Chez les champignons saprophytes, l’absorbotrophie repose sur la sécrétion d’enzymes extracellulaires qui digèrent des polymères complexes, puis sur l’absorption osmotrophique des molécules organiques simples à travers la paroi.

Compléments

  • Les champignons sont incapables de phagotrophie et l’osmotrophie est leur mode de nutrition exclusif.

  • Chez les animaux, la digestion par des exoenzymes se déroule dans la lumière d’un tube ou d’une cavité, les cellules spécialisées des parois absorbent les produits digérés et les éléments non digérés sont éliminés.

  • La phagotrophie est utilisée par de nombreux protistes et beaucoup de cellules animales et représente probablement le mode ancestral de nutrition des eucaryotes.

  • L’osmotrophie est fréquente chez les bactéries et les parasites, et constitue le mode de nutrition exclusif des champignons.

Astuce mémo

Particules phagocytées, molécules dissoutes osmotrophiées

11. Portrait et origine de LUCA

Notions clés & Définitions

  • LUCA : Dernier ancêtre commun hypothétique à tous les êtres vivants actuels.

★ À maîtriser

📌 LUCA n’est pas le premier organisme vivant apparu sur Terre : « dernier » désigne l’ancêtre commun le plus proche de nous dans le temps, et d’autres formes de vie sans descendants ont pu l’accompagner.

  • Les êtres vivants actuels partagent :

    • Le même code génétique.
    • Des mécanismes similaires de réplication, transcription et traduction.
    • L’ADN, l’ARN et les mêmes acides aminés de base.
  • La présence chez LUCA de gènes codant des enzymes membranaires, des ATP synthases et des protéines du système SRP indique qu’il possédait une membrane cellulaire et pouvait générer et exploiter un gradient chimiosmotique.

Compléments

  • La date de naissance de LUCA est inconnue, mais il a certainement vécu avant l’oxygénation de l’atmosphère.

📌 Les caractères communs aux êtres vivants actuels peuvent provenir d’un ancêtre commun qui les possédait déjà ou de convergences évolutives indépendantes, mais cette seconde explication est jugée très improbable vu la complexité des caractères considérés (Brochier-Armanet et Gribaldo, La Recherche).

  • Le génome de LUCA devait contenir entre 300 et 1000/1200 gènes, soit une taille comparable à celle de certains procaryotes actuels.

  • Moins d’une centaine de gènes présents chez LUCA sont retrouvés dans tous les génomes actuels.

  • Les gènes universels de LUCA indiquent qu’il possédait des systèmes complexes de traduction utilisant le code génétique universel et une machinerie de transcription proche de celle des organismes actuels.

📌 Le génome de LUCA a pu être à ADN, avec des protéines de réplication et de réparation ensuite perdues ou remplacées, ou à ARN, avec un recrutement indépendant de l’ADN chez ses descendants.

12. Divergence des trois domaines du vivant

★ À maîtriser

  • Les organismes actuels se répartissent en trois domaines : les Bacteria, les Archaea et les Eucarya, tous issus de LUCA.

  • L’ordre de divergence des trois domaines a été débattu, mais plusieurs indices soutiennent une divergence des procaryotes antérieure à celle des eucaryotes.

Compléments

  • L’ancêtre des eucaryotes possédait certainement des mitochondries, ce qui soutient l’hypothèse d’une divergence des procaryotes avant celle des eucaryotes.

13. Diversification et évolution des procaryotes

★ À maîtriser

  • La diversification initiale des bactéries et des archées s’est accompagnée de l’apparition de stratégies variées d’acquisition de l’énergie et du carbone.

  • La plupart des métabolismes procaryotes seraient apparus avant -2,5 Ga.

Compléments

  • Après leur diversification initiale, les procaryotes ont continué à évoluer alors que les grands métabolismes étaient déjà apparus et que la plupart des milieux étaient occupés.

  • Les procaryotes ont survécu à de grands changements environnementaux, notamment à l’oxydation de l’atmosphère, dont ils sont aussi responsables.

  • Les procaryotes sont à l’origine des eucaryotes modernes.

Astuce mémo

Diversification métabolique → occupation de nombreux milieux

14. Origine et caractéristiques des eucaryotes

★ À maîtriser

📌 Chez les eucaryotes, l’ADN se trouve dans un noyau séparé du reste de la cellule par la membrane nucléaire, et la transcription nucléaire est spatialement découplée de la traduction cytoplasmique.

  • Les cellules eucaryotes possèdent un système d’endomembranes et un cytosquelette développés, associés à une complexité cellulaire moyenne supérieure à celle des procaryotes.

  • Les groupes d’eucaryotes multicellulaires dérivent tous d’ancêtres unicellulaires, ce qui conduit à supposer que leur dernier ancêtre commun, LECA, était lui aussi unicellulaire.

  • LECA était probablement un eucaryote moderne proche des protistes flagellés actuels et possédait au moins 4 000 gènes, et plus probablement plus de 10 000 gènes.

Compléments

  • La plus grande diversité des eucaryotes se trouve dans les lignées unicellulaires, ou protistes, dont la plupart ne sont visibles qu’au microscope.

  • Les caractéristiques communes des grandes lignées eucaryotes peuvent être considérées comme anciennes et héritées de LECA.

  • Le système d’endomembranes de LECA comprenait :

    • la membrane nucléaire
    • le réticulum endoplasmique
    • l’appareil de Golgi
    • les lysosomes
    • les peroxysomes
    • les vacuoles
  • LECA possédait un cytosquelette composé de microtubules de tubuline et de microfilaments d’actine, également impliqués dans la construction des cils et des flagelles associés à la motilité cellulaire.

  • LECA possédait des mitochondries, organites délimités par une membrane et contenant du matériel génétique.

  • La complexité eucaryote s’est mise en place à un stade évolutif précoce, avant la diversification des lignées actuelles.

Astuce mémo

Noyau eucaryote : transcription séparée de la traduction

15. Endosymbioses et unité cellulaire

★ À maîtriser

  • Les ancêtres des mitochondries et des chloroplastes étaient des bactéries endosymbiotiques.

  • Après l’acquisition des mitochondries, certaines cellules ont intégré des cyanobactéries, à l’origine des chloroplastes, et ont acquis la capacité de photosynthèse et un métabolisme autotrophe.

  • Les êtres vivants modernes sont des organismes cellulaires, unicellulaires ou pluricellulaires, et la cellule fait consensus comme entité vivante minimale, contrairement à ses constituants qui ne sont pas vivants.

Compléments

  • Une hypothèse propose que les eucaryotes actuels descendent d’un ancêtre archéen ayant acquis une protéobactérie devenue la mitochondrie.

  • L’endosymbiose a joué un rôle central dans l’évolution des eucaryotes et a largement contribué à leur biodiversité.

  • Les cellules des bactéries, des archées et des eucaryotes partagent des caractéristiques et des propriétés structurales et fonctionnelles.

Astuce mémo

Bactéries endosymbiotiques → mitochondries et chloroplastes

Teste tes connaissances

Teste tes connaissances sur Cellule : structure et propriétés avec 44 questions à choix multiples et corrections détaillées.

1. Quelle structure caractérise la membrane plasmique des cellules vivantes ?

2. Une cellule maintient une composition intérieure différente de celle de son milieu malgré les échanges moléculaires. Quelle propriété membranaire rend cela possible ?

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Mémorisez les concepts clés de Cellule : structure et propriétés avec 92 flashcards interactives.

De quoi est constituée la membrane plasmique des cellules vivantes ?

D’une bicouche de phospholipides amphiphiles et semi-perméable.

Que règle la membrane plasmique entre l’intérieur cellulaire et l’extérieur ?

Des échanges sélectifs et réciproques.

Qu’est-ce que la perméabilité sélective d’une membrane ?

La propriété de laisser traverser certaines substances plus facilement que d’autres.

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