Fiche de révision : Microscopie et membrane cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Microscope et premières observations cellulaires
2. Constitution et unité du vivant
3. Origine et multiplication des cellules
4. Limites de la théorie cellulaire
5. Mesures et volumes cellulaires
6. Structure et composition membranaires
7. Transport de l’eau membranaire
8. Transport du glucose
9. Mesure des tailles au microscope
10. Microscopes et progrès de l’observation
11. Observation et invasion par Plasmodium
12. Microscopes optique et électronique

📖 1. Microscope et premières observations cellulaires

★ À maîtriser

• Les cellules des êtres vivants mesurent généralement de 10 à 100 µm.

• En 1665, Robert Hooke observe au microscope des cavités dans le liège et nomme « cellules » les plus petites unités structurelles de la vie. - Micrographia

📌 Antoni Van Leeuwenhoek distingue les organismes unicellulaires, constitués d’une seule cellule, des organismes pluricellulaires, constitués de nombreuses cellules.

Compléments

• Zacharias Janssen aurait créé le premier microscope en 1595 en superposant deux lentilles dans des tubes coulissants.

• Dans Micrographia, daté de 1665, Hooke décrit les cavités du liège comme des pores ou cellules disposés en files.

• De 1660 à 1690, Antoni Van Leeuwenhoek observe plus de 200 espèces différentes de cellules.

📖 2. Constitution et unité du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité structurale et fonctionnelle du vivant, contenant un milieu fluide de composition spécifique délimité par une membrane.

★ À maîtriser

• Le premier pilier de la théorie cellulaire affirme que tous les êtres vivants sont constitués d’au moins une cellule.

• Le deuxième pilier de la théorie cellulaire affirme que la cellule est l’unité de base des êtres vivants et qu’une cellule seule peut vivre et subsister.

Compléments

• Au XIXe siècle, Schleiden et Schwann identifient respectivement un noyau dans les cellules végétales et animales.

• Schleiden et Schwann concluent que les cellules issues d’organismes différents possèdent des constituants semblables.

📖 3. Origine et multiplication des cellules

🔑 Notions clés & Définitions

• Génération spontanée : Aristote, -384 à -322 - Idée que les êtres vivants apparaissent spontanément à partir de matière inerte, comme le sol.

★ À maîtriser

• En 1861, Louis Pasteur réfute la génération spontanée en montrant qu’un bouillon stérilisé ne produit pas de nouvelles cellules sans contamination par des microorganismes de l’air.

• Dans l’expérience de Pasteur, le col recourbé en S emprisonne la poussière et les microorganismes, ce qui maintient le bouillon stérile ; la rupture du col permet leur entrée et entraîne la détérioration du bouillon.

Compléments

• Rudolph Virchow observe des cellules, notamment des levures, qui se divisent par bourgeonnement et en forment de nouvelles.

💡 Astuce mémo

Des cellules préexistantes → de nouvelles cellules

📖 4. Limites de la théorie cellulaire

★ À maîtriser

• La théorie cellulaire est une théorie scientifique construite par l’accumulation d’observations et d’arguments, et valable si elle explique la majorité des observations.

Compléments

• Les globules rouges n’ont pas de noyau, car ils l’expulsent au moment de leur formation.

• Les cellules musculaires possèdent plusieurs noyaux, car elles résultent de la fusion de plusieurs cellules.

💡 Astuce mémo

Globule rouge sans noyau, cellule musculaire à plusieurs noyaux

📖 5. Mesures et volumes cellulaires

★ À maîtriser

📐 Formule - La taille réelle d’un objet se calcule par proportionnalité : $\text{taille réelle} = \frac{\text{taille de l’objet sur l’image} \times \text{taille réelle de l’échelle}}{\text{taille de l’échelle sur l’image}}$.

Compléments

• Une bactérie E. coli mesurant 20 mm sur l’image, avec une échelle de 5 mm représentant 1 µm, mesure réellement 4 µm.

• Le plasmocyte mesurant 70 mm sur l’image, avec une échelle de 5 mm représentant 2,5 µm, mesure réellement 35 µm.

• La microscopie utilisée pour observer les bactéries E. coli dans l’électronographie est le MEB.

📌 La bactérie E. coli, qui mesure 4 µm, est plus petite que le plasmocyte, qui mesure 35 µm.

📐 Formule - Pour un plasmocyte supposé sphérique de rayon 35 µm, le volume est $V=\frac{4}{3}\pi R^3=179\,594\ \mu\text{m}^3$.

• À un grossissement de 1200, un bacille de yaourt mesurant 15 mm sur l’image a une longueur réelle de 12,5 µm.

• À un grossissement de 200, une cellule buccale humaine mesurant 12 mm sur l’image a un diamètre réel de 60 µm.

• Une euglène mesurant 58 mm sur l’image, avec une échelle de 10 mm représentant 10 µm, mesure réellement 58 µm.

• Une cellule de feuille d’élodée mesurant 37 mm sur l’image, avec une échelle de 10 mm représentant 10 µm, mesure réellement 37 µm.

📖 6. Structure et composition membranaires

★ À maîtriser

• En 1972, Singer et Nicholson proposent le modèle de la mosaïque fluide pour décrire la structure et le fonctionnement de la membrane plasmique.

• Au MET, les membranes présentent trois feuillets : un feuillet clair central et deux feuillets sombres périphériques.

• La membrane plasmique est principalement composée de lipides et de protéines, avec une faible proportion de glucides.

Compléments

• L’épaisseur de la membrane plasmique est d’environ 7 à 10 nm.

• Au MEB, la surface externe de la membrane plasmique présente des bosses simples ou regroupées par 5 ou 6.

• Les membranes étudiées contiennent respectivement protéines, lipides et glucides : cellule animale 60 %, 40 % et 10 % ; cellule végétale 58 %, 41 % et 1 % ; champignon 55 %, 35 % et 10 % ; bactérie 76 %, 22 % et 2 %.

• Les protéines tendent à former des amas granuleux par coagulation, tandis que les lipides tendent à s’étaler en films très fins.

📖 7. Transport de l’eau membranaire

★ À maîtriser

• L’eau traverse la membrane plasmique par des canaux formés par des protéines appelées aquaporines, malgré le caractère hydrophobe des lipides membranaires.

Compléments

• Dans l’expérience décrite, des ovocytes de xénope modifiés pour exprimer la protéine AQP1 sont placés en solution hypotonique, et une augmentation de leur volume indique une entrée d’eau.

📖 8. Transport du glucose

📝 Points essentiels

• Les cellules absorbent spécifiquement le glucose nécessaire à la respiration cellulaire grâce à des transporteurs membranaires appelés GLUT.

📖 9. Mesure des tailles au microscope

🔑 Notions clés & Définitions

• Plasmocyte : Globule blanc issu d’un lymphocyte B, présent notamment dans la moelle osseuse, les organes lymphoïdes secondaires et les muqueuses, et responsable de la sécrétion des anticorps.

★ À maîtriser

• Pour déterminer la taille réelle d’un objet à partir d’une échelle, on mesure la longueur du segment indicatif, on mesure l’objet sur le document, puis on calcule sa taille réelle par proportionnalité en veillant aux unités.

Compléments

• Si 0,9 cm sur le document représente 7 µm en réalité et que le diamètre de la cellule mesure 1,6 cm sur le document, son diamètre réel est d’environ 12,4 µm.

📐 Formule - Le volume d’une sphère de rayon $R$ est $V = \frac{4}{3}\pi R^3$.

💡 Astuce mémo

Mesurer l’échelle, mesurer l’objet, puis appliquer la proportionnalité.

📖 10. Microscopes et progrès de l’observation

★ À maîtriser

• Le microscope optique utilise une lampe et des lentilles de verre, produit une image polychromatique et atteint un grossissement maximal de × 1 600.

• Le microscope électronique à transmission utilise des électrons et des lentilles électromagnétiques, produit une image monochromatique et atteint un grossissement maximal de × 150 000.

• Le microscope à fluorescence est un microscope optique à faible grossissement qui permet de marquer sélectivement des composants cellulaires et d’observer leurs mouvements dans des échantillons vivants.

Compléments

• Le microscope électronique à balayage observe l’objet en relief sans que celui-ci soit traversé et atteint un grossissement maximal de × 30 000.

• L’invention du microscope électronique à transmission date des années 1930 et son perfectionnement s’est poursuivi jusque dans les années 1970.

• Le microscope à super résolution combine le marquage et l’observation de cellules vivantes permis par la fluorescence avec le fort grossissement et l’observation de l’ultrastructure permis par le MET.

💡 Astuce mémo

Le MO éclaire avec la lumière ; le MET forme l’image avec des électrons.

📖 11. Observation et invasion par Plasmodium

★ À maîtriser

• La structure détaillée de Plasmodium comprend notamment :

  • un noyau
  • des mitochondries
  • des corps lamellaires
  • des rhoptries
  • des micronèmes

• Lors de l’invasion du globule rouge, la protéine AMA1 reste dans Plasmodium tandis que RON4 entre dans le globule rouge et contribue à l’ancrage et à l’entrée du parasite.

• Le modèle actuel décrit l’invasion du globule rouge par Plasmodium comme une succession d’attachements et de déformations, suivie du transfert des RON, de la formation d’une jonction serrée AMA1-RON et de l’entrée du parasite. - Weiss et al., 2015

Compléments

• La membrane de Plasmodium est recouverte d’un manteau, et le parasite possède un cytostome décrit comme une sorte de bouche.

• Plasmodium falciparum peut être observé dans une hématie parasitée au microscope optique sur un frottis sanguin.

• Les observations de l’invasion de Plasmodium dans le globule rouge permettent d’envisager des traitements pour prévenir le paludisme.

• Une image MET montre un mérozoïte s’accrochant à un érythrocyte à un grossissement de × 54 000. - Aikawa et al., 1978

💡 Astuce mémo

Fixation, transfert des RON, jonction AMA1-RON, invasion.

📖 12. Microscopes optique et électronique

★ À maîtriser

📌 Le microscope optique utilise la lumière pour traverser l’objet, tandis que le microscope électronique à transmission (MET) utilise un faisceau d’électrons.

• Le microscope optique a un grossissement maximal de X 1500.

• Le MET a un grossissement maximal de X 150 000.

Compléments

• Le microscope optique utilise une lame en verre comme porte-objet, tandis que le MET utilise une grille.

• Le microscope optique produit une vision polychromatique, tandis que le MET produit une vision monochromatique.

• Le microscope optique permet d’observer la présence du plasmodium dans les globules rouges et d’établir rapidement un diagnostic, tandis que le MET permet d’observer l’ultrastructure cellulaire grâce à son très fort grossissement et à son excellente résolution.

• Le microscope optique a un grossissement et une résolution limités, tandis que le MET nécessite une préparation longue et complexe, le vide, et un objet mort.

💡 Astuce mémo

Lumière et vision polychromatique pour le microscope optique ; électrons et vision monochromatique pour le MET.

📊 Tableaux de synthèse

Microscopes et capacités d’observation

Comparaison du microscope optique et du MET