Fiche de révision : Organisation fonctionnelle des cellules

📋 Plan du Cours

1. Organisation générale des cellules
2. Membranes biologiques et glycocalyx
3. Transports membranaires passifs
4. Transports membranaires actifs
5. Enveloppe et organisation du noyau
6. ADN, ARN et expression génétique
7. Nucléole et ribosomes
8. Nucléole et enveloppe nucléaire
9. Mitochondries et production d’ATP
10. Organisation du cytosquelette
11. Microtubules et mouvements cellulaires
12. Actine et contraction musculaire
13. Système endomembranaire et trafic
14. Peroxysomes et détoxication
15. Chloroplastes et photosynthèse
16. Traduction et voies vésiculaires

📖 1. Organisation générale des cellules

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité fondamentale de tout être vivant et la plus petite partie de matière vivante capable de se reproduire.

★ À maîtriser

📌 Les procaryotes possèdent un nucléoïde et un ADN circulaire sans vrai noyau, tandis que les eucaryotes possèdent un noyau entouré d’une enveloppe à deux membranes et contenant de nombreuses molécules d’ADN linéaires.

• Les cellules végétales possèdent une paroi contenant de la pectine et de la cellulose, une vacuole pouvant occuper 75 % de la cellule et des chloroplastes assurant la photosynthèse.

Compléments

• L’être humain est constitué d’environ 100 000 milliards de cellules, dont la taille est généralement de l’ordre de quelques dizaines de micromètres et qui ne sont pas visibles à l’œil nu.

• La centrifugation différentielle permet d’isoler progressivement les constituants cellulaires en centrifugeant un homogénat pour récupérer d’abord les noyaux, puis des organites moins denses et enfin des molécules et des ribosomes.

• Les eubactéries sont les bactéries couramment rencontrées, tandis que les archéobactéries possèdent des structures moléculaires particulières et vivent souvent dans des milieux extrêmes.

💡 Astuce mémo

Procaryote sans vrai noyau, eucaryote avec noyau

📖 2. Membranes biologiques et glycocalyx

🔑 Notions clés & Définitions

• Bicouche lipidique : Résulte de l’organisation des lipides amphiphiles, dont les têtes hydrophiles sont orientées vers les milieux aqueux et les queues hydrophobes vers l’intérieur de la membrane.

• Glycocalyx : Réseau glucidique dense situé du côté extracellulaire de la membrane et associé à des lipides ou à des protéines.

★ À maîtriser

• Les membranes biologiques contiennent environ 40 % de lipides et 60 % de protéines en structure, mais les lipides sont plus nombreux car leur masse molaire est plus faible.

• Les trois groupes de lipides membranaires sont:

  • Les phospholipides, 50 %
  • Les sphingolipides, 30 %
  • Le cholestérol, 20 %

• Les protéines membranaires peuvent être extrinsèques, lorsqu’elles restent sur une couche de la bicouche lipidique, ou intrinsèques, lorsqu’elles traversent une ou plusieurs fois la bicouche.

Compléments

📌 Le cholestérol rigidifie la membrane et module sa perméabilité.

• Le glycocalyx participe à la reconnaissance et à l’adhésion cellulaires et protège les cellules contre les agressions mécaniques et chimiques, notamment dans le système ABO des groupes sanguins.

💡 Astuce mémo

Un tapis lipidique fluide parsemé de protéines, recouvert d’un manteau glucidique

📖 3. Transports membranaires passifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffusion simple : Déplacement net de molécules d’une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration sous l’effet du mouvement brownien, sans intervention de protéines de transport.

• Osmose : Transport passif de l’eau à travers une membrane, facilité par des aquaporines, et qui s’arrête lorsque la pression hydrostatique s’oppose à la pression osmotique.

• Gradient électrochimique : Résultante du gradient de concentration et du potentiel membranaire qui détermine le mouvement net des ions à travers la membrane.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le flux de diffusion simple vérifie $J=A\times(C_1-C_2)\times P_d$, où A est la surface membranaire, C1−C2 le gradient de concentration et Pd le coefficient de perméabilité diffusionnel.

📌 À l’équilibre des concentrations, les flux opposés persistent mais le flux net devient nul : il s’agit d’un équilibre dynamique.

• Les canaux ioniques sont des protéines sélectives dont l’ouverture peut être déclenchée par un ligand, une action mécanique ou une modification du potentiel membranaire.

📐 Formule — Le transport facilité est saturable et son flux peut être décrit par $J=\frac{J_{max}\times x}{K_m+x}$, où Jmax est le flux maximal et Km la concentration correspondant à la moitié de Jmax.

Compléments

• Les aquaporines sont des protéines membranaires formant des pores de 0,45 nm qui permettent le passage de l’eau, dont la taille est de 0,30 nm, tout en empêchant le passage des ions.

💡 Astuce mémo

Diffusion simple → osmose → canaux ioniques → perméases

📖 4. Transports membranaires actifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Transport actif : Déplace des ions ou des molécules contre leur gradient de concentration et consomme de l’énergie directement ou indirectement sous forme d’ATP.

★ À maîtriser

• La pompe Na+/K+ ATPase expulse trois ions sodium et fait entrer deux ions potassium par molécule d’ATP hydrolysée.

• La pompe Ca2+ ATPase maintient une très faible concentration de calcium dans le cytoplasme en pompant le calcium vers le milieu extracellulaire ou vers le réticulum.

📌 Un symport transporte l’ion moteur et la molécule couplée dans la même direction, tandis qu’un antiport les transporte dans des directions opposées.

Compléments

📌 L’ouabaïne inhibe la pompe Na+/K+ ATPase et son inhibition entraîne la mort cellulaire.

• Dans les entérocytes, le symport Na+/glucose SGLT1 de la membrane apicale est électrogène, tandis que l’antiport Na+/H+ des cellules rénales est électroneutre.

💡 Astuce mémo

Transport primaire : ATP direct ; transport secondaire : gradient ionique moteur

📖 5. Enveloppe et organisation du noyau

🔑 Notions clés & Définitions

• Enveloppe nucléaire : Constituée de deux membranes, dont la membrane externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique granuleux et dont la membrane interne délimite le nucléoplasme.
• Lamina nucléaire : Cytosquelette constitué de filaments intermédiaires qui s’appuie sur la membrane nucléaire interne et lui confère sa solidité.

★ À maîtriser

• Les pores nucléaires sont des complexes octogonaux formés d’environ une trentaine de nucléoporines et leur nombre est d’environ 3 000 à 4 000 chez un mammifère.

📌 Les petites molécules de moins de 5 000 daltons diffusent à travers les pores nucléaires, tandis que les molécules plus grandes nécessitent un transport impliquant les protéines de l’annulus et consommant de l’énergie.

Compléments

• Le noyau est absent des hématies des mammifères, qui perdent leur noyau pendant leur différenciation et vivent environ 120 jours.

💡 Astuce mémo

Une double enveloppe percée de pores et soutenue par une lamina interne

📖 6. ADN, ARN et expression génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplication : Produit deux molécules d’ADN filles à partir d’une molécule d’ADN mère selon un mécanisme semi-conservatif pendant la phase S de l’interphase.

• Transcription : Produit une molécule d’ARN à partir d’une partie de l’ADN, l’ARN polymérase synthétisant le brin d’ARN dans le sens 5’ vers 3’.

📝 Points essentiels

📌 La chromatine correspond à l’ADN du noyau en interphase, tandis que les chromosomes correspondent à l’ADN condensé observable pendant la mitose.

📌 L’hétérochromatine est condensée et ne constitue pas un siège de synthèse, tandis que l’euchromatine est décondensée et permet l’intervention des enzymes de transcription.

• Un nucléotide d’ADN comprend:
  • Un désoxyribose
  • Un groupement phosphate
  • Une base azotée : adénine, guanine, thymine ou cytosine

• Dans l’ADN, l’adénine et la thymine sont reliées par deux liaisons hydrogène, tandis que la guanine et la cytosine sont reliées par trois liaisons hydrogène.

• L’ARN est généralement constitué d’un seul brin, contient du ribose et de l’uracile à la place du désoxyribose et de la thymine de l’ADN.

• Les trois principaux ARN sont:

  • ARNm : messager pour la synthèse des protéines
  • ARNr : composant des ribosomes
  • ARNt : placement des acides aminés

💡 Astuce mémo

Réplication → transcription → export des ARN → traduction

📖 7. Nucléole et ribosomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléole : Structure dense, généralement unique et dépourvue de membrane, qui disparaît pendant la mitose puis réapparaît dans les cellules filles.

💡 Astuce mémo

Synthèse de l’ARN ribosomique → association aux protéines → sous-unités ribosomales

📖 8. Nucléole et enveloppe nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléole : Structure dense, sphérique, souvent unique, dépourvue de membrane et située dans le nucléoplasme.

★ À maîtriser

• Le nucléole synthétise l’ARN ribosomique, qui s’associe ensuite à des protéines pour former des nucléoprotéines constituant les sous-unités des ribosomes.

📌 Les pores nucléaires permettent la diffusion simple des petites molécules et le transport actif, coûteux en énergie, des grosses molécules grâce aux protéines du complexe du pore nucléaire.

Compléments

• L’enveloppe nucléaire augmente sa surface et son nombre de pores pendant l’interphase, puis disparaît au cours de la mitose avant de se reformer dans les cellules filles.

💡 Astuce mémo

Réplication et transcription nucléaires → synthèse protéique cytoplasmique

📖 9. Mitochondries et production d’ATP

🔑 Notions clés & Définitions

• ATP : Nucléotide composé de trois phosphates, d’un ribose et d’une adénine, qui intervient dans la conversion de l’énergie cellulaire.
• Théorie endosymbiotique : Propose que les mitochondries proviennent de bactéries aérobies ou anaérobies phagocytées par une cellule avec laquelle elles ont établi une symbiose.

★ À maîtriser

• Les mitochondries mesurent généralement de 1 à 10 micromètres et leur nombre cellulaire est compris entre 1000 et 3000 selon les besoins énergétiques.

📌 La membrane externe mitochondriale est lisse et contient des porines, tandis que la membrane interne forme des crêtes et contient majoritairement des protéines impliquées dans la chaîne respiratoire.

📐 Formule — La phosphorylation oxydative permet la synthèse d’ATP selon la relation $ADP + P_i \rightarrow ATP + O_2$.

Compléments

• La mitochondrie utilise principalement les glucides, puis les lipides et enfin les protéines comme sources d’énergie, leur dégradation produisant notamment du dioxyde de carbone et de l’eau.

💡 Astuce mémo

Une double membrane plissée entoure une matrice énergétique

📖 10. Organisation du cytosquelette

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytosquelette : Réseau dynamique de structures protéiques présent dans le cytoplasme et le noyau, impliqué dans la résistance mécanique, les transports, les déplacements et les contractions cellulaires.

📝 Points essentiels

📌 Les filaments intermédiaires mesurent 10 nm, les microtubules 25 nm et les filaments d’actine 7 nm de diamètre.

• Les filaments intermédiaires se forment par assemblage de dimères en tétramères puis en octamères, dont l’enroulement produit un câble très résistant.

• Les principales protéines des filaments intermédiaires sont:

  • Lamines : enveloppe nucléaire
  • Neurofilaments : axones
  • Kératines : cellules épithéliales
  • Vimentines : cellules conjonctives
  • Desmines : tissus musculaires

💡 Astuce mémo

Filaments intermédiaires = résistance ; microtubules = circulation ; actine = mouvement

📖 11. Microtubules et mouvements cellulaires

📝 Points essentiels

• Les tubulines alpha et bêta s’associent en dimères, puis treize protofilaments parallèles forment un microtubule creux polarisé.

📌 L’hydrolyse du GTP porté par la bêta-tubuline affaiblit les liaisons entre dimères et favorise la dépolymérisation du microtubule.

📌 Les kinésines se déplacent vers l’extrémité plus du microtubule, du centrosome vers la périphérie, tandis que les dynéines se déplacent vers l’extrémité moins, vers le centrosome.

• L’axonème des cils et des flagelles est constitué de neuf doublets périphériques et de deux microtubules centraux, et les cils battent à une fréquence comprise entre 10 et 15 Hz.

💡 Astuce mémo

Centrosome → microtubule → moteur moléculaire → transport

📖 12. Actine et contraction musculaire

★ À maîtriser

📌 L’actine G est la forme globulaire unitaire, tandis que l’actine F résulte de l’assemblage de deux chaînes d’actine G en hélice.

📌 Le filament d’actine croît lentement à l’extrémité moins et très rapidement à l’extrémité plus, où environ 1000 actines peuvent être ajoutées par seconde.

• Lors de la contraction musculaire, le calcium libéré par le réticulum sarcoplasmique se lie à la troponine, déplace la tropomyosine et permet l’interaction entre l’actine et la myosine.

• Le cycle de la myosine comprend l’hydrolyse de l’ATP, la fixation de la tête à l’actine, le pivotement responsable du raccourcissement du sarcomère, puis la fixation d’un nouvel ATP qui libère la tête.

Compléments

• L’actine représente environ 20 % des protéines des cellules musculaires et 5 % des protéines des autres cellules.

💡 Astuce mémo

Ca²⁺ libéré → tropomyosine déplacée → actine-myosine → contraction

📖 13. Système endomembranaire et trafic

🔑 Notions clés & Définitions

• Appareil de Golgi : Ensemble des dictyosomes cellulaires, formés d’empilements polarisés de trois à dix citernes où les protéines sont triées et maturées.

📝 Points essentiels

📌 Le REG assure principalement la synthèse et le transit des protéines grâce à ses ribosomes, tandis que le REL stocke le calcium, synthétise des lipides et participe à la détoxication.

• Le REL détoxifie certaines molécules grâce aux cytochromes P450, qui ajoutent un groupement hydroxyle et rendent les substances toxiques plus hydrosolubles.

📌 Les endosomes reçoivent des molécules du milieu extracellulaire par endocytose, tandis que les lysosomes contiennent des hydrolases acides capables de dégrader leur contenu à pH 5.

📌 La sécrétion constitutive fonctionne en continu dans toutes les cellules, tandis que la sécrétion contrôlée nécessite un signal déclencheur.

💡 Astuce mémo

REG → Golgi → vésicule → destination

📖 14. Peroxysomes et détoxication

★ À maîtriser

• Les oxydases peroxysomales dégradent les acides gras à longue chaîne en produisant du peroxyde d’hydrogène, puis la catalase utilise ce composé pour former de l’eau et de l’oxygène.

Compléments

• Les peroxysomes sont de petites vésicules limitées par une membrane, mesurant environ 0,2 micromètre, particulièrement nombreuses dans les hépatocytes.

• La catalase représente environ 40 % des enzymes des peroxysomes et participe notamment à la détoxication de l’éthanol.

💡 Astuce mémo

Oxydases → peroxyde d’hydrogène → catalase → eau et oxygène

📖 15. Chloroplastes et photosynthèse

🔑 Notions clés & Définitions

• Photosynthèse : Ensemble des réactions qui convertissent l’énergie lumineuse en énergie chimique et produisent des sucres à trois carbones ainsi que de l’oxygène.

📝 Points essentiels

• Les chloroplastes sont des organites d’environ 5 micromètres présents dans les parties vertes des végétaux chlorophylliens et contenant de l’ADN circulaire, des ribosomes et de l’amidon.

📌 Les réactions lumineuses se déroulent dans la membrane des thylakoïdes et produisent de l’ATP et du NADPH, tandis que le cycle de Calvin se déroule dans le stroma et fixe le dioxyde de carbone pour produire des sucres.

• Le cycle de Calvin fixe le dioxyde de carbone avec la Rubisco, réduit l’acide 3-phosphoglycérique en glycéraldéhyde-3-phosphate, puis régénère le ribulose bisphosphate.

💡 Astuce mémo

Photons → ATP/NADPH → cycle de Calvin → sucres

📖 16. Traduction et voies vésiculaires

★ À maîtriser

• Le code génétique associe 64 codons à 20 acides aminés ; le codon AUG initie la traduction et les codons UAA, TGA et TAG y mettent fin.

• La traduction comprend l’initiation, l’élongation et la terminaison : le ribosome se fixe à l’ARN messager, progresse dans le sens 5’ vers 3’ et libère la chaîne au codon stop.

📌 La N-glycosylation et le repliement assisté par les protéines chaperons ont lieu dans le réticulum endoplasmique, tandis que l’O-glycosylation et le tri des protéines ont lieu dans l’appareil de Golgi.

• L’endocytose comprend la phagocytose sélective, la pinocytose non sélective et l’endocytose médiée par des récepteurs, qui permet notamment l’entrée du LDL grâce à la clathrine.

Compléments

📌 La translocation cotraductionnelle fait entrer la protéine dans le réticulum endoplasmique pendant sa traduction, tandis que la translocation post-traductionnelle intervient après la traduction.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison → tri

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison procaryotes et eucaryotes

Types de transports membranaires