Fiche de révision : Cellule unité structurale du vivant

Plan du Cours

  1. Membrane et échanges cellulaires
  2. Cytoplasme et énergie cellulaire
  3. Catalyse des réactions cellulaires
  4. Transmission du message cellulaire
  5. Compartiments et architecture cellulaire
  6. Reproduction et différenciation cellulaire
  7. Renouvellement moléculaire, sources trophiques et voies énergétiques
  8. Conversions de l’énergie cellulaire
  9. Approvisionnement des organismes hétérotrophes
  10. LUCA et ancêtre commun
  11. Génome, machinerie, énergie et membrane de LUCA
  12. Diversification des domaines du vivant
  13. Évolution métabolique des procaryotes
  14. Organisation cellulaire eucaryote et caractéristiques de LECA
  15. Endosymbioses et origine des organites

1. Membrane et échanges cellulaires

Notions clés & Définitions

  • Cellule : Une cellule est délimitée par une membrane plasmique et contient un cytoplasme où se trouvent des molécules dynamiques et énergétiques, dont certaines portent un message transmissible.

★ À maîtriser

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

  • La membrane délimite l’intérieur cellulaire et contrôle sélectivement les échanges réciproques de substances entre la cellule et son environnement.

Compléments

  • La perméabilité sélective permet à la cellule de contrôler l’entrée et la sortie des molécules et des ions, et de maintenir une composition intérieure différente de celle du milieu extérieur.
  • Les protéines transmembranaires servent de passeurs pour les substances qui traversent la membrane.

  • Les substances émises par une cellule peuvent lui être bénéfiques, comme les molécules d’adhésion ou de défense, et modifier son environnement.

Astuce mémo

Cellule morte : enveloppe présente, échanges arrêtés

2. Cytoplasme et énergie cellulaire

Notions clés & Définitions

  • Énergie d’activation : L’énergie à apporter à un système chimique pour qu’une réaction ait lieu.

★ À maîtriser

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

  • Le transfert d’électrons le long de la chaîne de transport d’électrons, par des réactions d’oxydoréduction, entraîne l’expulsion de protons H⁺ et établit un gradient de protons appelé force proton-motrice.

Compléments

  • Le mouvement brownien est le mouvement aléatoire de particules dans un fluide et favorise les rencontres moléculaires dans le cytoplasme clos.

📌 La proximité des molécules augmente leur probabilité de rencontre, mais ne suffit pas à créer de nouvelles molécules sans modification de leur structure physico-chimique.

  • L’ATP et les molécules à pouvoir réducteur, qui transportent des électrons, fournissent respectivement de l’énergie chimique et du pouvoir réducteur aux réactions cellulaires, et non de l’énergie d’activation.

  • Le NAD, le NADP et le FAD sont des molécules capables de transporter des électrons et constituent des sources de pouvoir réducteur.

  • Une membrane permet de séparer un milieu intérieur d’un milieu extérieur et de générer un milieu où l’énergie d’activation facilite les échanges moléculaires et la formation de nouvelles molécules.

3. Catalyse des réactions cellulaires

Notions clés & Définitions

  • Catalyseur : Diminue l’énergie d’activation d’une réaction.
  • Enzyme : Une macromolécule biologique qui catalyse les réactions dans les cellules en abaissant leur énergie d’activation.

Points essentiels

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

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

4. Transmission du message cellulaire

★ À maîtriser

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

Compléments

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

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

5. Compartiments et architecture cellulaire

Notions clés & Définitions

  • Matrice extracellulaire : Ensemble des polymères extracellulaires.

★ À maîtriser

  • Chez les eucaryotes, le système endomembranaire comprend notamment l’enveloppe nucléaire, le réticulum et l’appareil de Golgi, mais pas les mitochondries.

📌 Les procaryotes n’ont pas de compartiments endomembranaires, mais leur paroi, leur enveloppe, leur capsule et, chez les bactéries Gram négatif, leur membrane externe constituent des compartiments fonctionnels.

  • Le cytosquelette est constitué de structures filamenteuses et tubulaires qui organisent l’espace cytoplasmique, construisent l’architecture cellulaire et permettent la division cellulaire.

  • Des éléments membranaires assurent la jonction entre la cellule et son environnement physique, appelé substratum, ou biologique, comme une autre cellule.

  • L’adhésion permet à la cellule :

    • de se protéger
    • de communiquer
    • de coopérer
    • de se déplacer
  • L’adhésion entre cellules permet des formes coloniales chez les unicellulaires, ainsi que la pluricellularité et la formation de structures complexes comme les tissus.

Compléments

  • Les systèmes endomembranaires des eucaryotes permettent plusieurs activités métaboliques et l’accumulation de molécules dans une même cellule sans perturbation réciproque.

  • Chez les procaryotes, les compartiments que constituent les enveloppes peuvent participer aux gradients chimio-osmotiques, aux voies de sécrétion ou à la défense, notamment par le stockage d’antibiotiques.

  • Les cellules s’associent pour adhérer, se protéger, coopérer sur le plan métabolique et construire des structures tissulaires complexes.

  • Les polymères extracellulaires sécrétés par les cellules servent de colle et contribuent à leur proximité avec un support physique ou biologique.

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

  • Les substances extracellulaires sécrétées par les procaryotes, appelées EPS (Extracellular Polymeric Substances), sont formées de polymères comme des protéines et des polyoses, et ne sont pas simplement des déchets cellulaires.

  • Le complexe de surface associe fonctionnellement les polymères extracellulaires, la membrane et les éléments filamenteux du cytosquelette, et cet ensemble détermine le devenir des cellules dans leur environnement.

📌 Les cellules peuvent vivre seules, en association transitoire ou permanente, ou former des populations et des communautés aux propriétés innovantes, comme les tissus et les biofilms ; l’interaction, plutôt que la séparation, caractérise la cellule.

Astuce mémo

Eucaryote : systèmes endomembranaires ; procaryote : pas de compartiments endomembranaires

6. Reproduction et différenciation cellulaire

★ À maîtriser

  • Lors de la reproduction cellulaire, la cellule grandit puis se divise afin de répartir son contenu cytoplasmique et de conserver l’organisation complexe de la cellule mère.

  • Le cytosquelette s’organise transitoirement pour séparer le matériel nucléique en deux lots génétiques identiques, puis assurer la scission en deux cellules par fusion ou reconstruction membranaire.

Compléments

  • La pérennité du vivant nécessite 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.

  • Certaines phases du cycle cellulaire permettent la différenciation en types cellulaires particuliers, préalable à la spécialisation et à l’organisation multicellulaire.

Astuce mémo

Croissance → séparation des lots génétiques → scission en deux cellules.

7. Renouvellement moléculaire, sources trophiques et voies énergétiques

Notions clés & Définitions

  • Catabolisme : Succession de procédés chimiques qui dégradent les composés moléculaires absorbés, les oxydent en molécules plus petites et libèrent de l’énergie.
  • Anabolisme : Ensemble des voies de synthèse qui utilisent l’énergie et les produits de dégradation libérés par le catabolisme pour fabriquer les molécules de l’organisme.
  • Pigments photosynthétiques : Molécules capables de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique, notamment en convertissant des photons en électrons.

★ À maîtriser

  • Les composés organiques des êtres vivants sont continuellement renouvelés par synthèse et dégradation.

  • Les êtres vivants ont besoin de sources de carbone et d’énergie pour réaliser leurs biosynthèses.

📌 La chimiotrophie tire l’énergie de l’oxydation de molécules chimiques réduites, tandis que la phototrophie tire 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 organique comme les sucres.

  • Les procaryotes présentent les quatre grands types de métabolismes issus de la combinaison des sources de matière et d’énergie, tandis que les eucaryotes pratiquent essentiellement la chimio-hétérotrophie et la photo-autotrophie.

Compléments

  • Les êtres vivants sont composés de :

    • molécules organiques : glucides
    • molécules organiques : lipides
    • molécules organiques : protéines
    • molécules organiques : acides nucléiques
    • eau
    • sels minéraux
  • 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.

  • L’énergie issue des sources énergétiques est transférée et stockée sous forme de gradient électrochimique et de molécules cellulaires énergétiques, notamment le pouvoir réducteur et l’ATP.

  • 🔄 Le métabolisme énergétique chimio-hétérotrophe progresse ainsi : les réactions commencent dans le cytoplasme, les électrons des molécules organiques sont libérés, l’oxydation se poursuit sur des molécules générées dans le cycle de Krebs, l’énergie des électrons contribue à établir un gradient électrochimique via une chaîne respiratoire membranaire

  • La chaîne respiratoire se trouve dans la membrane plasmique des 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 le chloroplaste.

Astuce mémo

Catabolisme dégrade et libère l’énergie ; anabolisme synthétise et la mobilise.

8. Conversions de l’énergie cellulaire

★ À maîtriser

  • 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

  • Les conversions énergétiques des êtres vivants comportent aussi des pertes sous forme d’énergie calorifique.

9. Approvisionnement des organismes hétérotrophes

Notions clés & Définitions

  • Mode d’approvisionnement : Manière dont un organisme acquiert sa nourriture, dépendant du type de nourriture utilisé.

★ À maîtriser

📌 L’osmotrophie incorpore par diffusion transmembranaire une nourriture dissoute, constituée de molécules simples ou de faible poids moléculaire, tandis que la phagotrophie concerne la matière organique particulaire incorporée par phagocytose.

  • Chez les champignons saprophytes, l’absorbotrophie consiste à sécréter des enzymes extracellulaires pour digérer des polymères complexes, puis à absorber par osmotrophie les molécules organiques simples à travers leur paroi.

  • Chez les animaux, les exoenzymes digèrent les aliments dans la lumière d’un tube ou d’une cavité, des cellules spécialisées tapissant les parois assurent l’absorption et les éléments non digérés sont éliminés.

Compléments

  • Les enzymes extracellulaires citées comprennent :

    • La cellulase
    • La protéase
    • La ligninase
    • La chitinase
  • L’approvisionnement animal en molécules organiques résulte de la digestion, qui simplifie les molécules, et de l’absorption, qui les fait passer au travers de la membrane.

  • Les organismes autotrophes fabriquent leur matière organique à partir de CO2, d’eau et de sels minéraux en utilisant l’énergie lumineuse chez les photoautotrophes ou l’énergie chimique chez les chimioautotrophes.

  • 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, constitue le mode exclusif de nutrition des champignons et ne permet pas à ces derniers de pratiquer la phagotrophie.

Astuce mémo

Osmotrophie : molécules dissoutes ; phagotrophie : matière particulaire.

10. LUCA et ancêtre commun

Notions clés & Définitions

  • LUCA : LUCA, ou cenancêtre, est l’hypothétique dernier ancêtre commun à tous les êtres vivants actuels.

★ À maîtriser

📌 LUCA est le dernier ancêtre commun le plus proche des organismes actuels dans le temps, et non nécessairement le premier organisme vivant apparu sur Terre.

  • L’existence d’un ancêtre commun est étayée par le code génétique identique, des mécanismes similaires de réplication, transcription et traduction, ainsi que l’usage de l’ADN, de l’ARN et des mêmes acides aminés de base par les êtres vivants actuels.

Compléments

  • LUCA a certainement vécu avant l’oxygénation de l’atmosphère, mais sa date d’apparition reste inconnue.

📌 Les caractères communs aux êtres vivants peuvent provenir d’un héritage partagé depuis un ancêtre commun ou de convergences évolutives indépendantes, cette dernière explication étant jugée très improbable pour les caractères complexes considérés. - Brochier-Armanet et Gribaldo, La Recherche

11. Génome, machinerie, énergie et membrane de LUCA

★ À maîtriser

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

  • La majorité des protéines codées par les gènes universels de LUCA intervenaient dans la traduction, ce qui indique un système de traduction complexe, probablement proche de celui des organismes actuels et utilisant le code génétique universel.

  • Le faible nombre de protéines universelles associées à la réplication et à la réparation de l’ADN laisse ouvertes deux hypothèses : LUCA possédait un génome à ADN dont certaines protéines ont été perdues ou remplacées, ou il possédait un génome à ARN et l’ADN a été recruté indépendamment par ses descendants. - Brochier-Armanet et Gribaldo, La Recherche

  • La présence chez LUCA de gènes codant des enzymes membranaires, notamment des ATP synthases et des cytochrome oxydases, ainsi que de protéines du système SRP impliquées dans la sécrétion, indique qu’il possédait une membrane cellulaire.

  • La présence d’ATP synthases chez LUCA suggère qu’il pouvait générer et exploiter un gradient chimiosmotique.

Compléments

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

  • Au cours de l’évolution, des gènes peuvent être perdus chez les descendants d’un organisme et de nouveaux gènes peuvent apparaître, ce qui contribue aux différences de taille entre génomes actuels. - Brochier-Armanet et Gribaldo, La Recherche

  • Les gènes universels comprennent des gènes codant les trois sous-unités principales de la machinerie de transcription, suggérant que LUCA possédait une machinerie proche de celles des organismes actuels.

  • LUCA possédait des systèmes sophistiqués d’expression de l’information génétique, proches de ceux des organismes actuels, ce qui indique que ces mécanismes sont très anciens.

  • Les origines de la vie pourraient avoir été uniques ou multiples, mais la biodiversité actuelle s’est diversifiée à partir d’un ancêtre commun.

Astuce mémo

ATP synthases → exploitation d’un gradient chimiosmotique.

12. Diversification des domaines du vivant

Points essentiels

  • 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 du vivant demeure débattu, mais plusieurs indices soutiennent une divergence des procaryotes antérieure à celle des eucaryotes, notamment parce que l’ancêtre eucaryote avait probablement déjà des mitochondries.

13. Évolution métabolique 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.

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

Compléments

  • Vraisemblablement, la plupart des métabolismes procaryotes étaient apparus avant -2,5 Ga.

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

Astuce mémo

La diversification initiale ouvre la voie à des métabolismes variés.

14. Organisation cellulaire eucaryote et caractéristiques de LECA

★ À maîtriser

  • Chez les eucaryotes, l’ADN se trouve dans un noyau séparé du reste de la cellule par la membrane nucléaire.

📌 Chez les eucaryotes, la transcription se déroule dans le noyau et est spatialement découplée de la traduction, qui a lieu dans les ribosomes libres ou attachés au réticulum endoplasmique dans le cytoplasme.

  • Les différents groupes d’eucaryotes multicellulaires dérivent tous d’ancêtres unicellulaires, ce qui conduit à proposer que LECA était également unicellulaire.

  • 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 constitué de microtubules de tubuline et de microfilaments d’actine, également utilisés pour construire les cils et les flagelles impliqués dans la motilité cellulaire.

Compléments

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

  • La complexité des eucaryotes leur permet une grande diversité de morphologies et de modes de vie, particulièrement visible chez les eucaryotes multicellulaires comme les animaux, les plantes, les champignons et certaines algues rouges et brunes.

  • 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 aux grandes lignées eucaryotes sont considérées comme anciennes et héritées de leur dernier ancêtre commun, LECA.

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

  • LECA possédait au moins 4 000 gènes et probablement plus de 10 000 gènes.

  • 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 cytoplasmique.

15. Endosymbioses et origine des organites

★ À maîtriser

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

  • Après l’acquisition de la mitochondrie, certaines cellules ont intégré des cyanobactéries à l’origine des chloroplastes, ce qui leur a conféré la capacité de photosynthèse et un métabolisme autotrophe.

Compléments

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

  • L’endosymbiose est largement responsable de la biodiversité des eucaryotes apparus au cours de l’évolution.

Astuce mémo

Protéobactérie → mitochondrie, puis cyanobactérie → chloroplaste.

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1. Quelle organisation structurale caractérise une cellule ?

2. Quelle structure de membrane plasmique retrouve-t-on chez toutes les cellules ?

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Qu’est-ce qu’une cellule ?

Une structure délimitée par une membrane plasmique et contenant un cytoplasme.

De quoi est constituée la membrane plasmique commune à toutes les cellules ?

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

Quel rôle la membrane plasmique joue-t-elle dans les échanges cellulaires ?

Elle contrôle sélectivement les échanges réciproques entre la cellule et son environnement.

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