Fiche de révision : Microscopie et biologie cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Principes et évolution de la microscopie électronique
2. Microscope électronique en transmission
3. Préparation des échantillons en transmission
4. Techniques de contraste et cryomicroscopie
5. Microscope électronique à balayage
6. Noyau et organisation du génome
7. Compaction et états de la chromatine
8. Enveloppe nucléaire et nucléole
9. Cycle cellulaire et divisions
10. Microtubules et fonctions cellulaires
11. Microfilaments d’actine
12. Filaments intermédiaires
13. Paroi végétale et ses modifications
14. Échanges et organites végétaux

📅 Repères chronologiques

1. 1665/75ont lieu les premières observations de structures cellulaires au microscope optique.
2. 1931Knoll et Ruska inventent le microscope électronique en transmission (MET).
3. 1938Siemens commercialise le MET, qui atteint un grossissement de 30 000× et une résolution de 10 nm.
4. 1964Cambridge Instrument Co. commercialise le MEB, qui atteint un grossissement de 20 000× et une résolution de 50 nm.
5. 2017Le cryomicroscope électronique atteint une résolution de 0,15 nm, permet une résolution atomique de complexes protéiques et contribue à une révolution en biologie structurale récompensée par le prix Nobel de chimie.

📖 1. Principes et évolution de la microscopie électronique

★ À maîtriser

• La microscopie électronique repose sur un faisceau d’électrons accélérés dirigé sur un échantillon préalablement contrasté par un dépôt métallique.

📌 La limite de résolution indiquée pour le microscope électronique est d’environ 0,1 nm, contre 200 nm pour le microscope optique, et son grossissement dépasse 10⁶, contre 1 500 à 2 000× pour le microscope optique.

Compléments

• La microscopie électronique a permis de distinguer les cellules procaryotes des cellules eucaryotes et d’observer les virus ainsi que l’intérieur des bactéries.

📖 2. Microscope électronique en transmission

★ À maîtriser

• Dans un MET, les électrons sont extraits d’une cathode chauffée à 1 500–2 700 °C, accélérés sous une tension de 50 à 300 kV, focalisés par des lentilles magnétiques, transmis plus ou moins par l’échantillon, puis captés pour former une image numérisée.

📌 L’observation au MET ne porte pas sur des cellules vivantes, car les électrons pénètrent faiblement dans la matière et l’échantillon doit être une coupe ultrafine de moins de 100 nm.

Compléments

📌 Dans un MET, les électrons circulent dans une colonne maintenue sous vide afin d’éviter leur déviation.

• Un MET très haute résolution peut atteindre une résolution de 0,1 nm.

📖 3. Préparation des échantillons en transmission

★ À maîtriser

• La préparation standard comprend cinq étapes :

  • Fixation
  • Déshydratation
  • Inclusion
  • Amincissement
  • Métallisation

• La fixation préserve les protéines et les formes cellulaires, stabilise les lipides et augmente le contraste ; elle utilise des aldéhydes, puis du tétraoxyde d’osmium dans un tampon à pH 7.

Compléments

• La déshydratation remplace l’eau par un liquide hydrophobe, comme l’alcool, afin de permettre la polymérisation des résines.

• L’inclusion imprègne les tissus d’un polymère liquide thermodurcissable, notamment une résine époxy comme l’araldite ou l’épon, afin de permettre des coupes fines.

• Les coupes ultrafines sont réalisées au microtome ou à l’ultramicrotome, puis déposées sur une membrane soutenue par une grille de 3 mm de diamètre.

📌 Les grilles en cuivre servent à la coloration standard, tandis que les grilles en or ou en nickel sont utilisées pour l’immunomarquage.

• Les échantillons destinés au MET doivent résister à l’échauffement du faisceau et ne peuvent pas contenir de substances volatiles observées sous faible pression.

💡 Astuce mémo

Fixer, déshydrater, inclure, couper, contraster : de la préservation à l’image.

📖 4. Techniques de contraste et cryomicroscopie

★ À maîtriser

• Les coupes biologiques sont contrastées par des sels de métaux lourds, notamment l’acétate d’uranyle et le citrate de plomb, car elles contiennent surtout de l’hydrogène, du carbone et de l’oxygène.

📌 L’ombrage vaporise des métaux sous vide avec un angle d’incidence pour produire une ombre portée et accentuer le relief, tandis que la coloration négative dépose un sel opaque aux électrons qui révèle le contour des structures très petites.

• La cryofacture étudie les surfaces membranaires en congelant rapidement l’échantillon afin d’éviter la formation de cristaux de glace qui détruiraient les cellules.

• La cryofacture comprend la cryofixation par vitrification à −196 °C, une fracture sous vide, la réplication de la surface par ombrage au platine à 45°, puis le nettoyage et le dépôt de la réplique métallique sur une grille pour analyse.

• En immunomarquage, un anticorps primaire reconnaît l’antigène spécifique et le complexe antigène–anticorps primaire est révélé par des particules d’or colloïdal couplées à un anticorps secondaire spécifique.

Compléments

• Le cryodécapage sublime sous vide et à basse température l’eau cytosolique gelée après cryofracture, élimine la glace superficielle et révèle davantage de relief avant la réplication.

• L’immunomarquage utilise une inclusion à froid dans une résine hydrophile pour préserver les épitopes, et des particules d’or de 5 ou 20 nm permettent de localiser plusieurs antigènes simultanément.

📖 5. Microscope électronique à balayage

★ À maîtriser

• Dans un MEB, un faisceau d’électrons balaie la surface de l’échantillon et les électrons de basse énergie générés par l’interaction avec la matière renseignent sur sa topographie.

• Le MEB offre une grande profondeur de champ et un rendu tridimensionnel de la topographie, ce qui en fait un outil privilégié pour étudier les surfaces sans réaliser de coupes.

Compléments

• Le MEB atteint une résolution de 1 à 10 nm, inférieure à celle du MET, et le MEB à pression variable peut observer certains échantillons dans un environnement quasiment naturel sans métallisation systématique.

💡 Astuce mémo

MET : traverse une coupe ; MEB : balaie une surface.

📖 6. Noyau et organisation du génome

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau : Organite le plus volumineux de la cellule eucaryote ; il stocke, protège et organise la majorité de son matériel génétique et régule le cycle cellulaire.

★ À maîtriser

• Le noyau est le principal lieu de réplication de l’ADN ainsi que de transcription et de maturation des différents types d’ARN.

📌 La chromatine est la forme du matériel génétique pendant l’interphase, tandis qu’en mitose elle se condense en chromosomes à deux chromatides.

• Le caryotype humain comprend 22 paires de chromosomes homologues autosomes et une paire de chromosomes sexuels, soit 46 chromosomes dans les cellules somatiques diploïdes.

Compléments

• Environ 99 % de l’ADN d’une cellule est stocké dans le noyau et le reste dans les mitochondries.

• Le génome nucléaire humain est constitué d’environ 1,5 % de séquences codantes et comprend environ 25 000 gènes, alors que les estimations initiales en prévoyaient 100 000.

• Une cellule somatique humaine contient 46 chromosomes et 6,2 × 10⁹ paires de bases, soit environ 2 m d’ADN déroulé par noyau.

📖 7. Compaction et états de la chromatine

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléosome : Unité fondamentale de la chromatine, constituée d’un octamère d’histones autour duquel s’enroule un segment d’ADN de 145 à 147 paires de bases.

★ À maîtriser

• L’octamère du nucléosome contient deux copies de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4, et les nucléosomes successifs sont reliés par un segment d’ADN de 20 à 80 paires de bases.

• L’histone de liaison H1 stabilise l’enroulement de l’ADN autour du nucléosome et l’empilement des nucléosomes en nucléofilament de 30 nm.

📌 L’euchromatine est diffuse et transcriptionnellement active, tandis que l’hétérochromatine est dense et peu ou pas transcrite.

Compléments

• Les histones du cœur sont basiques et riches en acides aminés chargés positivement, ce qui favorise leur affinité avec les groupements phosphates négatifs de l’ADN.

• Les modifications post-traductionnelles des histones, notamment la méthylation, l’acétylation et la phosphorylation, influencent la compaction de la chromatine et l’accessibilité de l’ADN.

• Les boucles chromatiniennes constituent un troisième niveau de compaction, mesurent 300 à 700 nm et contiennent 50 à 200 kpb.

📌 L’hétérochromatine constitutive comprend de l’ADN répétitif non codant proche des centromères et des télomères, tandis que l’hétérochromatine facultative varie de condensation et d’expression selon le type ou l’état de différenciation cellulaire.

💡 Astuce mémo

ADN → nucléosome → nucléofilament → boucles → chromosome métaphasique.

📖 8. Enveloppe nucléaire et nucléole

🔑 Notions clés & Définitions

• Lamina nucléaire : Réseau dynamique de protéines fibreuses de type V situé contre la membrane nucléaire interne, qui soutient la morphologie du noyau et fixe la chromatine en périphérie.

★ À maîtriser

• L’enveloppe nucléaire est formée de deux membranes séparées par un espace périnucléaire de 20 à 40 nm, et sa membrane externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique rugueux.

📌 Les molécules de masse relative inférieure à 50 kDa diffusent passivement par les canaux latéraux, tandis que le transport actif des macromolécules emprunte le canal central et consomme de l’ATP.

• Le nucléole contient les régions organisatrices NOR qui portent les gènes d’ARN ribosomique, assure la transcription et la maturation des ARNr 18S, 5,8S et 28S, puis amorce l’assemblage des sous-unités ribosomiques 40S et 60S.

Compléments

• Une cellule de mammifère possède 2 000 à 10 000 pores nucléaires qui régulent les échanges entre noyau et cytoplasme.

• Le complexe du pore nucléaire, constitué de nucléoporines, présente une symétrie octogonale et comporte deux anneaux, un canal central et huit canaux latéraux.

• Les signaux NLS reconnus par les importines permettent l’import nucléaire de certaines protéines, tandis que les signaux NES sont pris en charge par les exportines pour leur export.

📖 9. Cycle cellulaire et divisions

🔑 Notions clés & Définitions

• Cycle cellulaire : Alternance d’une interphase et d’une phase de division qui caractérise la vie des cellules.

★ À maîtriser

• L’interphase comprend G1, phase de croissance et de production d’organites, S, phase de réplication de l’ADN, et G2, phase de vérification de la réplication et de réparation éventuelle de l’ADN endommagé.

• Pendant la phase S, la quantité d’ADN double et chaque chromosome est constitué de deux chromatides identiques reliées au centromère.

📌 La mitose divise le noyau et la cytokinèse divise le cytoplasme ; ensemble, ces deux stades de la phase M produisent deux cellules filles génétiquement identiques à la cellule mère.

• La méiose se déroule dans les cellules germinales des gonades et produit, après deux divisions précédées d’une réplication, quatre cellules filles haploïdes à partir d’une cellule diploïde.

Compléments

• Certaines cellules différenciées qui ne se divisent plus entrent en phase de quiescence G0, temporairement ou définitivement.

• Dans une cellule humaine réalisant une division en 24 h, G1 dure 5 à 6 h, S dure 10 à 12 h et G2 dure 4 à 6 h.

• La mitose contribue à la croissance, au développement embryonnaire, au renouvellement et à la réparation cellulaires, tandis que la méiose participe au brassage de l’information génétique lors de la reproduction sexuée.

📖 10. Microtubules et fonctions cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Microtubule : Tube creux de 20 à 25 nm de diamètre composé de 13 protofilaments d’hétérodimères de tubuline α et β assemblés en alternance.

★ À maîtriser

• Les protofilaments de microtubules sont polarisés, avec la tubuline α à l’extrémité − et la tubuline β à l’extrémité +, où l’élongation est plus rapide.

• L’instabilité dynamique des microtubules résulte de l’hydrolyse du GTP en GDP sur la β-tubuline : lorsque la majorité des tubulines à une extrémité contient du GDP, le microtubule se dépolymérise.

📌 L’axonème des cils et des flagelles possède une organisation 9 + 2, tandis que le corpuscule basal possède une organisation 9 + 0.

📌 Les kinésines transportent les cargaisons de l’extrémité − vers l’extrémité + des microtubules, tandis que les dynéines assurent le transport rétrograde de la périphérie vers le centrosome.

Compléments

• Dans les cellules animales, les microtubules rayonnent depuis le centrosome, centre organisateur constitué de deux centrioles perpendiculaires formés chacun de neuf triplets de microtubules.

• La dynéine ciliaire utilise l’ATP pour provoquer le glissement entre doublets de microtubules adjacents et la flexion des cils ou des flagelles.

• Lors de l’anaphase, les microtubules kinétochoriens raccourcissent pour entraîner les chromatides sœurs vers les pôles opposés de la cellule.

📖 11. Microfilaments d’actine

🔑 Notions clés & Définitions

• Microfilament : Double hélice flexible, dynamique et polarisée composée de monomères d’actine, d’un diamètre d’environ 5 à 10 nm.

★ À maîtriser

📌 L’actine G est un monomère globulaire associé à l’ATP, tandis que l’actine F est la forme polymérisée associée à l’ADP.

• 🔄 La polymérisation de l’actine comprend trois étapes :
  1. Nucléation d’un noyau stable de trois monomères d’actine G.
  2. Élongation par association rapide de monomères à l’extrémité +.
  3. Phase stationnaire où les monomères s’associent et se dissocient à la même vitesse.

Compléments

• L’actine hydrolyse l’ATP en ADP ; l’actine ADP étant moins stable, cette hydrolyse favorise la dépolymérisation des microfilaments, particulièrement à leur extrémité −.

• Plusieurs protéines associées à l’actine ont des fonctions distinctes :

  • La spectrine ancre les microfilaments à la membrane.
  • La fimbrine les organise en faisceaux parallèles.
  • La filamine les réticule en réseau tridimensionnel.
  • La gelsoline les fragmente de façon dépendante du Ca²⁺.
  • La thymosine empêche l’incorporation de l’actine G.
  • La myosine interagit avec l’actine.

• Les microfilaments participent à la migration par pseudopodes, à la phagocytose, à la cyclose, au déplacement d’organites par les myosines et à la cytokinèse animale par formation d’un anneau contractile.

📖 12. Filaments intermédiaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Filament intermédiaire : Structure de 8 à 10 nm de diamètre constituée de protéines allongées qui s’auto-assemblent sans nucléotides en filaments non polaires et peu dynamiques.

📝 Points essentiels

• Les kératines se trouvent dans les cellules épithéliales, la vimentine et la desmine dans des cellules souches embryonnaires et musculaires, les neurofilaments dans les neurones et les lamines nucléaires dans la lamina.

• Les filaments intermédiaires contribuent à la forme et à la cohésion des cellules animales, à l’ancrage des organites, au soutien de l’enveloppe nucléaire et à la formation des cheveux et des ongles.

📖 13. Paroi végétale et ses modifications

★ À maîtriser

• La paroi végétale assure le soutien structural, la protection, le maintien de la pression osmotique, la communication par les plasmodesmes et la croissance cellulaire.

📌 La lamelle moyenne, riche en pectines, est la cloison commune qui adhère les cellules végétales adjacentes, tandis que la paroi primaire caractérise les cellules jeunes en croissance.

• La paroi primaire comprend environ 30 à 50 % de cellulose, 20 à 30 % d’hémicellulose, 5 à 35 % de pectines et 0,5 à 5 % de protéines en masse sèche.

• La cellulose est un polysaccharide linéaire de cellobiose composée de deux glucoses liés en β-1,4 ; les chaînes parallèles sont stabilisées en microfibrilles par des liaisons hydrogène interchaînes.

📌 La paroi primaire présente des microfibrilles de cellulose entrecroisées et extensibles, tandis que la paroi secondaire est plus dense, moins hydratée, ordonnée en strates et non extensible.

• La lignine, polymère phénolique hydrophobe caractéristique du bois, forme des liaisons covalentes stables avec la cellulose et confère rigidité et résistance mécanique à la paroi secondaire.

Compléments

• 🔄 La formation de la lamelle moyenne suit ces étapes :

  1. Des vésicules golgiennes s’accumulent au centre de la cellule mère.
  2. Les vésicules fusionnent en plaque cellulaire.
  3. La plaque progresse vers les parois et forme la lamelle moyenne.

• Les pectines hydrophiles englobent les microfibrilles de cellulose, tandis que les hémicelluloses sont des polysaccharides variés à courtes chaînes latérales glucidiques.

• Les celluloses synthases insérées en rosette dans le plasmalemme synthétisent simultanément des chaînes de cellulose dans l’espace extracellulaire, tandis que les pectines et les hémicelluloses produites dans l’appareil de Golgi sont transportées par exocytose vers la paroi.

• La paroi secondaire se dépose après la croissance cellulaire et comprend souvent trois couches, S1, S2 et S3, dont les microfibrilles ont des orientations différentes.

📌 La cutinisation recouvre la paroi externe de l’épiderme d’une cuticule qui limite les pertes d’eau, tandis que la subérification imprègne la paroi secondaire de subérine, cire imperméable et isolante présente notamment dans le liège.

• Lors de la gélification des fruits, la dégradation enzymatique de la lamelle moyenne enrichit la paroi en pectines, qui devient plus souple et hydratée.

💡 Astuce mémo

Paroi primaire extensible ; paroi secondaire lignifiée et rigide.

📖 14. Échanges et organites végétaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Plasmodesme : Canal de 20 à 40 nm traversant la paroi végétale et reliant les cytoplasmes de cellules adjacentes.

★ À maîtriser

📌 La voie symplastique emprunte les plasmodesmes et le cytoplasme des cellules, tandis que la voie apoplastique passe par les parois et les espaces intercellulaires.

• La vacuole végétale peut occuper jusqu’à 80 à 90 % du volume cellulaire ; elle est limitée par le tonoplaste et contient le suc vacuolaire.

• La vacuole contribue au stockage de produits métaboliques, à la régulation du pH et des concentrations cytosoliques, à la détoxification, aux échanges hydriques et au maintien de la pression de turgescence.

📌 Les chloroplastes portent des pigments photosynthétiques et assurent la photosynthèse, les chromoplastes contiennent des caroténoïdes associés à l’attraction des pollinisateurs, et les amyloplastes accumulent l’amidon.

Compléments

• Les plasmodesmes représentent environ 1 % de la surface totale de la paroi et peuvent atteindre un million par mm².

• La callose peut se déposer transitoirement autour des plasmodesmes pour réduire leur ouverture, tandis que le desmotubule et le cytosquelette participent à la régulation du passage et au transport dirigé de vésicules et de protéines.

• Le tonoplaste contient plusieurs systèmes de transport :

  • Pompes à protons.
  • Symports.
  • Antiports.
  • Canaux ioniques.
  • Aquaporines.

• Le suc vacuolaire contient principalement de l’eau, des acides carboxyliques à pH voisin de 5, des glucides, des ions, des enzymes et des pigments.

• La cellule végétale se caractérise notamment par une paroi pectocellulosique rigide, une vacuole centrale, des plastes et l’absence de centrioles.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des microscopes électroniques