Fiche de révision : Introduction à la biologie cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Disciplines et notions biologiques
2. Spécialités et classification du vivant
3. Histoire de la biologie cellulaire
4. Microscopie optique et résolution
5. Préparation des cellules à observer
6. Préparation des coupes histologiques
7. Coloration et microscopies photoniques
8. Immunofluorescence et immunomarquage
9. Microscopie électronique

📅 Repères chronologiques

1. 1796Edward Jenner invente le vaccin contre la variole, avant la découverte des bactéries ; il s’inspire de la protection observée chez les femmes qui traient les bovins.
2. 1855Rudolph Virchow confirme la théorie cellulaire et affirme que la cellule possède les caractéristiques du vivant, notamment la naissance et l’alimentation.
3. 1880Le virus de la mosaïque du tabac est découvert, environ 100 ans après la vaccination contre la variole.
4. 1983Le VIH, un rétrovirus, est découvert.

📖 1. Disciplines et notions biologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Biologie : Étude de la vie et des êtres vivants, notamment les animaux, les végétaux, les virus et les micro-organismes ; le terme est utilisé pour la première fois par Lamarck en 1802.
• Biologie cellulaire : Étude de la cellule du point de vue structural et fonctionnel.
• Génétique : Étude du génome, des gènes et du matériel héréditaire transmis d’une cellule ou d’un organisme à l’autre ; elle peut être cellulaire ou moléculaire.
• Génotype : Ensemble des gènes d’un individu, c’est-à-dire son patrimoine génétique, hérité sous la forme d’un mélange des génotypes de ses parents.
• Phénotype : Caractères visibles produits par l’expression des gènes.
• Cytologie : Étude descriptive de la taille, de la forme et de l’organisation de la cellule.
• Histologie : Étude de l’organisation des tissus, c’est-à-dire de la manière dont les cellules y sont organisées, comme dans l’épiderme ou le parenchyme.
• Métazoaire : Organisme vivant composé de plusieurs cellules, contrairement à un organisme unicellulaire.
• Anatomie : L’anatomie étudie les organes et leur forme.
• Physiologie des organismes : Étude de leur fonctionnement et des mécanismes de leur activité chez les animaux et les végétaux.
• Physiologie cellulaire : La physiologie cellulaire étudie le fonctionnement d’une cellule.
• Immunologie : Étude du système immunitaire et de la défense de l’organisme.
• Endocrinologie : Étude de la physiologie du système endocrine, dont les sécrétions sont déversées dans le sang, comme les hormones.
• Neurologie : La neurologie étudie la physiologie du système nerveux.
• Génétique des populations : Analyse de la transmission des caractères d’une population à une autre au moyen de statistiques et de probabilités.

📝 Points essentiels

• L’expression génétique décrite passe par la transcription de certains gènes en ARNT, puis par la traduction de cet ARN en protéines à l’aide du ribosome et du code génétique.

📖 2. Spécialités et classification du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Espèce : Groupe d’animaux capables de se reproduire entre eux et d’avoir une descendance fertile.
• Protistes : Les protistes sont des êtres unicellulaires souvent constitués de protozoaires, généralement parasites ; des exemples cités sont les paramécies, les amibes, Plasmodium falciparum et Toxoplasma gondii.
• Taxonomie : Étude des taxons, c’est-à-dire des groupes d’organismes de la classification, comme les espèces et les genres.

★ À maîtriser

• La zoologie étudie les animaux, la botanique les plantes, la mycologie les champignons, l’algologie les algues et la protistologie les protistes.

• Ces disciplines étudient respectivement :

  • Les virus en virologie.
  • Les bactéries en bactériologie.
  • Les micro-organismes en microbiologie.
  • Les parasites en parasitologie.

Compléments

• La mycologie a des applications médicales, notamment l’étude des mycoses, industrielles, notamment les levures, et pharmaceutiques, notamment la pénicilline.

📌 Une bactérie dont le nom évoque une algue, comme une « algue bleue », ne relève pas pour autant de l’algologie.

• La classification des protistes en un règne distinct est attribuée à Ernst Haeckel. - Carl Linné

📖 3. Histoire de la biologie cellulaire

★ À maîtriser

• Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723), Hollandais et fils de vannier, est présenté comme un constructeur de microscopes simples perfectionnés et le premier observateur de protozoaires.

• Robert Hooke (1635-1703) invente un microscope plus sophistiqué et figure parmi les premiers à employer le terme « cellule » après avoir observé les petites alvéoles d’un bouchon de liège.

• Schleiden et Schwann sont associés à la théorie cellulaire, selon laquelle la cellule est l’unité fondamentale du vivant. - Schleiden & Schwann, 1835

• Dans l’expérience de pasteurisation décrite, Pasteur fait bouillir des bouillons et empêche tout contact avec des organismes ; rien ne se développe en l’absence de contact avec l’air, ce qui réfute la génération spontanée dans cette expérience. - Louis Pasteur

Compléments

• Louis Pasteur est présenté comme un père de la microbiologie, avec Robert Koch, et comme l’inventeur du vaccin antirabique.

• Robert Koch identifie Mycobacterium tuberculosis, le bacille de Koch responsable de la tuberculose, et Vibrio cholerae, le bacille virgule responsable du choléra.

• Le microscope de Van Leeuwenhoek comprend une plaque tournante métallique, un mécanisme à ressort et une aiguille qui permet la mise au point ; l’aiguille peut aussi servir à gratter de la matière vivante.

📖 4. Microscopie optique et résolution

🔑 Notions clés & Définitions

• Pouvoir de résolution : Capacité à distinguer deux points proches et mesure de la clarté de l’image : en dessous de la limite de résolution, ils apparaissent fusionnés, et au-dessus, séparés.
• Microscopie optique : Observation des cellules à l’aide de lentilles et de photons provenant de la lumière naturelle.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le grossissement total d’un microscope vérifie $G = G_{objectif} \times G_{oculaire}$.

• Un microscope optique grossit jusqu’à 1 500 fois ; au-delà, l’image devient floue.

Compléments

• Les objectifs mentionnés ont des grossissements de ×5, ×20, ×25 et ×45, tandis que les oculaires ont des grossissements de ×2, ×5, ×10 et ×15.

📌 Les objectifs ×50 et ×100 s’utilisent avec une goutte d’eau, d’huile ou de paraffine afin d’augmenter la transmission de la lumière ; ce sont des objectifs à immersion.

• Le pouvoir de résolution d’un microscope optique dépend de la longueur d’onde moyenne de la lumière visible et permet de distinguer des particules jusqu’à environ 200 nm de diamètre.

• Dans l’observation microscopique décrite, augmenter le grossissement diminue la clarté de l’image et conduit à la limite d’observation.

• Dans un microscope optique, l’objectif est la première lentille, placée près de l’objet, et l’oculaire est la deuxième lentille, placée près de l’œil.

• L’échantillon est placé sur une lame de verre, recouvert d’une lamelle et traversé par de la lumière blanche ; l’objet observé se trouve entre la lame et la lamelle.

💡 Astuce mémo

Le grossissement agrandit l’image ; la résolution sépare deux points proches.

📖 5. Préparation des cellules à observer

🔑 Notions clés & Définitions

• Biopsie : Prélèvement d’un petit morceau d’organe contenant plusieurs cellules.

★ À maîtriser

• La plupart des tissus ou cellules doivent être préparés avant observation ; les tissus peuvent être inclus dans un milieu solide comme la paraffine ou coupés en coupes histologiques, tandis que les cellules peuvent être observées directement sous forme de frottis.

Compléments

• Les prélèvements cellulaires décrits comprennent la biopsie, le frottis obtenu en frottant une spatule sur un tissu ou des cellules sur une lame, et le prélèvement dans une boîte de Petri pour une culture in vitro.

• Les cellules prélevées sont récupérées vivantes et peuvent rarement être observées vivantes grâce à des colorants vitaux qui colorent la cellule sans la tuer.

📖 6. Préparation des coupes histologiques

★ À maîtriser

• 🔄 La préparation d’une coupe histologique suit ces étapes :

  1. Fixation
  2. Déshydratation
  3. Inclusion
  4. Coupe
  5. Réhydratation

• Le fixateur tue les cellules en créant des liaisons covalentes rigides entre les protéines, qui perdent leur activité enzymatique et deviennent résistantes aux attaques enzymatiques.

• La déshydratation consiste à faire passer les cellules dans des bains d’alcool de concentration croissante afin d’éliminer l’eau et de rendre la cellule hydrophobe.

📌 En microscopie optique, l’inclusion utilise de la paraffine chauffée à environ 60 °C, tandis qu’en microscopie électronique elle utilise des résines telles que l’Araldite, l’Epon, le Lowicryl ou le LRW.

📌 La microtomie en microscopie optique produit des coupes de 2, 5 ou 10 µm récupérées sur une lame de verre, tandis que l’ultramicrotomie en microscopie électronique produit des coupes de 50 à 200 nm récupérées sur une grille métallique.

Compléments

• En microscopie optique, les fixateurs cités sont le formaldéhyde (formol), très toxique, et le paraformaldéhyde.

• En microscopie électronique, le glutaraldéhyde est utilisé comme fixateur et est encore plus dangereux.

• En microscopie optique, la paraffine refroidie forme des petits cubes, qui sont coupés au microtome en lamelles de 2 à 3 microns récupérées sur du verre.

• En microtomie, les lames de coupe peuvent être en verre, en métal ou en diamant, et plus le couteau est dur, plus la coupe est fine.

• Les grilles utilisées pour récupérer les coupes en microscopie électronique peuvent être en cuivre, en nickel ou en or, car le verre bloquerait les électrons.

• La réhydratation plonge les cellules déshydratées dans des bains d’alcool de concentration décroissante afin que l’eau puisse pénétrer dans les coupes avant la coloration aqueuse.

• Le toluène peut être utilisé lors de la préparation pour dissoudre les acides gras et les graisses.

• En microscopie électronique, un catalyseur renforce la polymérisation des résines, qui durcissent par réaction chimique et restent très toxiques.

💡 Astuce mémo

Fixer, déshydrater, inclure, couper, réhydrater.

📖 7. Coloration et microscopies photoniques

★ À maîtriser

📌 La coloration utilise des produits chimiques sur des cellules mortes pour faciliter l’observation, tandis que le marquage utilise des molécules marqueuses.

• Le microscope à fond clair utilise une lumière blanche qui traverse directement et perpendiculairement l’échantillon, généralement coloré pour augmenter les contrastes, et permet de distinguer les types cellulaires.

• Le microscope à fond noir éclaire l’échantillon avec une lumière blanche oblique et seule la lumière diffusée permet de le voir sur un fond noir.

• La microscopie à contraste de phase ou à interférence (contraste de Nomarski) augmente les variations de densité à l’intérieur des cellules et donne une impression de relief.

• La microscopie confocale utilise un laser pour réaliser des coupes optiques virtuelles d’une cellule entière, puis reconstitue une série de coupes en 3D.

Compléments

• Le trichrome de Masson, la coloration HES et le PAS sont des exemples de colorations mélangées.

• Le PAS associe l’hématoxyline, l’acide périodique et le réactif de Schiff, et colore en rouge la partie sucrée des glycoprotéines.

📌 Le fond noir ne nécessite pas de colorer les cellules et fournit des informations complémentaires au fond clair, mais permet d’observer moins de choses.

• La microscopie confocale peut marquer les cellules avec des anticorps et possède un pouvoir de résolution élevé, mais inférieur à celui de la microscopie électronique.

• La coloration HES associe l’hématoxyline, l’éosine et le safran.

💡 Astuce mémo

Fond clair : lumière directe ; fond noir : lumière diffusée.

📖 8. Immunofluorescence et immunomarquage

🔑 Notions clés & Définitions

• Immunofluorescence indirecte : L’immunofluorescence indirecte est une méthode qui utilise des anticorps pour repérer des antigènes, sans recourir à une coloration.
• Marqueur : Une molécule biologique qui reconnaît une autre molécule.

★ À maîtriser

• En immunofluorescence, la lumière bleue excite la fluorescéine FITC et la lumière verte excite la rhodamine, qui émettent respectivement une fluorescence verte et rouge.

• Pour repérer une protéine P25, on utilise un anticorps primaire anti-P25, puis un anticorps secondaire conjugué portant un fluorochrome, ce qui rend le complexe visible aux UV.

Compléments

• Les reconnaissances spécifiques citées sont :

  • Un anticorps reconnaît spécifiquement un antigène
  • Une enzyme reconnaît spécifiquement un substrat
  • Une lectine, comme la concanavaline A ou la WGA, reconnaît des sucres tels que la N-acétyl-glucosamine

• Pour vérifier que l’anticorps secondaire ne se fixe pas directement sur la cellule, le témoin utilise le même complexe sans anticorps primaire.

• En microscopie électronique, l’immunomarquage utilise un anticorps primaire et un anticorps secondaire portant des particules métalliques, comme l’or colloïdal, plutôt qu’un fluorochrome activé par UV.

📖 9. Microscopie électronique

★ À maîtriser

📌 La microscopie électronique utilise des électrons plutôt que des photons et comprend la microscopie électronique à transmission (MET) et la microscopie électronique à balayage (MEB).

• En MET, les cellules sont coupées, incluses dans des résines et les coupes sont recueillies sur des grilles métalliques, sans utiliser de colorant.

• 🔄 Le trajet des électrons dans le MET suit ces étapes :

  1. Une forte différence de potentiel arrache des électrons à la cathode
  2. Les électrons sont accélérés dans une colonne presque vide
  3. Les électrons traversent la grille et les coupes
  4. Les électrons atteignent un écran

📌 En MET, les zones hyalines laissent passer les électrons et apparaissent transparentes ou blanches, tandis que les zones électrodenses les arrêtent et apparaissent noires.

📌 Le MEB observe des cellules, organes ou tissus entiers en relief sans les couper et les recouvre de particules métalliques, tandis que le MET observe des coupes traversées par les électrons.

Compléments

• Dans le MET, la cathode négative attire les cations, tandis que l’anode positive attire les anions.

• En microscopie électronique, les images ne sont pas colorées ; toute couleur observée a été ajoutée numériquement par colorisation.

💡 Astuce mémo

MET : coupes traversées ; MEB : surfaces en relief.