Fiche de révision : Respiration et organites cellulaires

📋 Plan du Cours

1. Origines et définition de la cytologie
2. Théorie cellulaire et organisation du vivant
3. Classification et diversité cellulaire
4. Structure et réplication des virus
5. Microscopie et observation cellulaire
6. Préparation des échantillons cellulaires
7. Techniques microscopiques et fractionnement
8. Membrane plasmique et transports
9. Paroi végétale et ses modifications
10. Noyau en interphase
11. Composés hydrophobes végétaux
12. Noyau, chromatine et cycle cellulaire
13. Ribosomes et synthèse protéique
14. Transcription et traduction
15. Plastes et chloroplastes
16. Étapes de la photosynthèse
17. Respiration cellulaire et production d’ATP
18. Compartiments et fonctions des organites

📖 1. Origines et définition de la cytologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Biologie cellulaire : Étude des cellules et des organites qu’elles renferment, notamment leur morphologie, leur biochimie et leur physiologie.

★ À maîtriser

• Antonie van Leeuwenhoek observe et décrit des microorganismes en 1677 à l’aide d’un microscope simple grossissant jusqu’à 300 fois.

• Robert Hooke observe pour la première fois des cellules dans une coupe de liège en 1665 et introduit le terme « cellule ».

Compléments

• Vers 1825, le développement d’un microscope optique composé efficace rend l’étude des microorganismes réellement accessible.

💡 Astuce mémo

Hooke observe le liège en 1665, Leeuwenhoek les « animalcules » en 1677, puis les microscopes composés s’améliorent vers 1825.

📖 2. Théorie cellulaire et organisation du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Tissu : Un tissu est un ensemble de cellules caractérisées par une structure et une fonction communes.

★ À maîtriser

• Matthias Schleiden propose en 1838 que tous les tissus végétaux soient constitués de cellules, et Théodore Schwann étend cette hypothèse aux animaux en 1839.

• Rudolf Virchow affirme en 1855 que toute cellule provient d’une cellule préexistante.

• La théorie cellulaire repose sur trois principes :

  • La cellule est la plus petite entité vivante et l’unité fonctionnelle des organismes vivants.
  • Tout être vivant est composé de cellules.
  • Toute cellule provient d’une autre cellule.

• Dans l’organisation pluricellulaire, les atomes forment des molécules, les molécules des organites, les organites des cellules, les cellules des tissus, les tissus des organes et les organes des systèmes.

Compléments

• Les caractéristiques de la vie citées dans le cours sont la reproduction, la croissance et le développement, l’utilisation et la production d’énergie, l’adaptation et l’évolution, ainsi que l’homéostasie.

💡 Astuce mémo

Schleiden (1838) → Schwann (1839) → Virchow (1855) : tissus, organismes, origine des cellules.

📖 3. Classification et diversité cellulaire

★ À maîtriser

• L’espèce est l’unité de base de la classification, et les espèces proches sur le plan évolutif sont rapprochées dans la classification.

• En 1990, Woese propose de diviser le vivant en trois domaines : les eubactéries, les archéobactéries et les eucaryotes.

📌 Les procaryotes ont leur ADN libre dans le cytoplasme, tandis que les eucaryotes possèdent un noyau entouré d’une membrane où se trouve leur ADN.

Compléments

• La classification biologique regroupe les espèces en genres, les genres en familles, les familles en ordres, les ordres en classes, les classes en embranchements et les embranchements en règnes.

• Les cinq règnes sont :

  • Les procaryotes.
  • Les protistes.
  • Les champignons.
  • Les végétaux.
  • Les animaux.

• Les procaryotes sont apparus en premier au cours de l’évolution, il y a environ 3,5 milliards d’années.

💡 Astuce mémo

Procaryote sans noyau ; eucaryote avec noyau.

📖 4. Structure et réplication des virus

🔑 Notions clés & Définitions

• Capside : Coque constituée de sous-unités protéiques appelées protomères, qui entoure et protège l’acide nucléique viral.
• Viroïde : Agent infectieux contenant un seul ARN circulaire, dépourvu de capside et d’enveloppe, qui ne code aucune protéine et dont l’ARN est copié dans le noyau ou le chloroplaste selon la famille.

★ À maîtriser

📌 Les virus enveloppés possèdent un péplos, mélange d’éléments cellulaires et viraux contenant des protéines, des glucides et des lipides, tandis que les virus nus n’ont pas d’enveloppe.

• 🔄 La réplication virale suit ces étapes. :

  1. Le génome viral entre dans une cellule hôte.
  2. Le virus détourne les ressources de l’hôte pour produire les composants viraux.
  3. Les composants s’assemblent souvent spontanément en nouveaux virions.
  4. Les nouveaux virions sortent de la cellule.

• Chez les rétrovirus, la transcriptase inverse produit de l’ADN à partir de l’ARN viral, puis l’intégrase permet l’incorporation de cet ADN dans le génome de la cellule hôte sous forme de provirus.

Compléments

📌 La nucléocapside désigne l’ensemble formé par la capside et le nucléoïde, tandis que le virion est une particule virale complète constituée d’un acide nucléique enfermé dans une capside, avec parfois une enveloppe.

💡 Astuce mémo

Fixation à la cellule → entrée du génome → production → assemblage → sortie

📖 5. Microscopie et observation cellulaire

★ À maîtriser

📌 Le microscope optique utilise des photons, permet notamment d’observer des cellules vivantes et possède un pouvoir séparateur d’environ 0,2 μm, tandis que le microscope électronique utilise des électrons et permet d’observer l’ultrastructure de cellules mortes.

📌 Le microscope électronique à transmission fait traverser l’échantillon par les électrons pour révéler sa structure interne, tandis que le microscope électronique à balayage détecte les électrons renvoyés par une surface métallisée et produit une image en pseudo-3D.

• L’observation par transmission exige un échantillon mince et suffisamment contrasté pour que le faisceau incident puisse le traverser et que ses structures soient distinguées.

Compléments

• Le microscope à contraste de phase transforme les différences d’indice de réfraction en différences d’intensité lumineuse et permet d’observer des cellules vivantes et leurs mouvements.

• Le microscope à fluorescence détecte des molécules fluorescentes qui absorbent une radiation et émettent une radiation de longueur d’onde plus élevée.

• Le microscope confocal éclaire au laser un plan mince de l’objet à la fois et permet d’obtenir des coupes optiques.

💡 Astuce mémo

Optique : cellules vivantes et vue d’ensemble ; électronique : cellule morte et ultrastructure

📖 6. Préparation des échantillons cellulaires

★ À maîtriser

• 🔄 La préparation classique suit ces étapes. :

  1. Prélèvement
  2. Fixation
  3. Déshydratation
  4. Inclusion
  5. Coupe
  6. Réhydratation et coloration

• La fixation tue les cellules tout en cherchant à conserver leurs structures dans un état morphologique aussi proche que possible de l’état vivant et à éviter les artefacts.

Compléments

• Pour inclure un tissu en paraffine, on remplace l’eau par l’alcool, puis l’alcool par un solvant intermédiaire comme le xylène avant l’imprégnation par la paraffine.

• En microscopie électronique, les tissus sont inclus dans une résine, coupés à environ 50 nm et imprégnés de sels de métaux lourds pour augmenter le contraste.

• La cryofracture consiste à congeler rapidement un échantillon, à le fracturer, puis à ombrer les reliefs par dépôt métallique afin d’obtenir une réplique examinable au microscope.

💡 Astuce mémo

Prélèvement → fixation → inclusion → coupe → coloration

📖 7. Techniques microscopiques et fractionnement

🔑 Notions clés & Définitions

• Coloration négative : Dépôt d’un métal lourd autour de particules adsorbées sur une grille, de sorte que les particules apparaissent claires sur un fond sombre.
• Ombrage : Évaporation d’un métal lourd, généralement du platine associé au carbone, qui se dépose sur les surfaces exposées au filament et donne une impression tridimensionnelle des particules isolées.

★ À maîtriser

• La réplique de cryofracture s’obtient en congelant le tissu, en le fracturant, en déposant du métal lourd sous incidence rasante puis du carbone, et en retirant le tissu pour observer le moulage au microscope électronique.

• Le fractionnement cellulaire consiste à broyer une culture de cellules puis à séparer ses constituants par centrifugation, les structures les plus massives s’accumulant au fond du tube.

Compléments

• Le cryodécapage consiste à placer l’échantillon congelé et fracturé sous vide à température élevée pendant une ou quelques minutes afin de sublimer une couche superficielle de glace.

• En fractionnement cellulaire, l’accélération centrifuge appliquée peut atteindre 100 000 à 200 000 g.

💡 Astuce mémo

Congeler → fracturer → ombrer → répliquer

📖 8. Membrane plasmique et transports

🔑 Notions clés & Définitions

• Membrane plasmique : Bicouche de phospholipides contenant des protéines et des sucres, qui délimite la cellule et régule sélectivement les échanges avec son environnement.
• Osmose : Passage passif de l’eau à travers une membrane semi-perméable, de la solution hypotonique vers la solution hypertonique, jusqu’à l’équilibre des concentrations.

★ À maîtriser

📌 Le transport passif se fait sans dépense d’énergie dans le sens du gradient électrochimique, tandis que le transport actif déplace une substance contre ce gradient et nécessite une source d’énergie.

📌 La diffusion simple traverse directement la bicouche lipidique, tandis que la diffusion facilitée utilise des protéines membranaires spécifiques sans consommation d’énergie.

• La pompe Na⁺/K⁺ hydrolyse une molécule d’ATP pour expulser trois ions sodium et faire entrer deux ions potassium.

📌 L’endocytose fait entrer des substances dans la cellule par formation d’une vésicule à partir de la membrane, tandis que l’exocytose libère à l’extérieur le contenu d’une vésicule fusionnant avec la membrane.

Compléments

• Au microscope électronique, la membrane apparaît comme deux feuillets sombres d’environ 2 nm chacun, séparés par un feuillet clair d’environ 3 nm.

• En diffusion simple, les molécules de masse moléculaire supérieure à 150 Da ne traversent pas la bicouche lipidique, selon la règle donnée pour les molécules de petite dimension.

📌 Les protéines-canal laissent passer des molécules selon les lois de la diffusion sans changer de forme, tandis que les transporteurs changent de forme pour déplacer les molécules à travers la membrane.

📌 La pinocytose fait entrer des substances liquides de fort poids moléculaire, tandis que la phagocytose concerne des substances à l’état solide.

💡 Astuce mémo

Passif suit le gradient ; actif le remonte

📖 9. Paroi végétale et ses modifications

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellulose : Polysaccharide homogène formé d’unités de cellobiose, dimère du β-D-glucose liées en 1-4, qui s’assemblent en microfibrilles constituant une charpente pariétale.
• Pectines : Polysaccharides acides hétérogènes, principalement localisés dans la lamelle moyenne, où elles contribuent au ciment intercellulaire.
• Hémicelluloses : Polymères hétérogènes ramifiés qui servent de matrice et relient les microfibrilles de cellulose.
• Lignification : Dépôt de lignine associé à la cellulose, qui renforce la rigidité et la résistance mécanique de la paroi végétale.

★ À maîtriser

📌 La lamelle moyenne, constituée de matières pectiques, unit deux cellules contiguës, la paroi primaire extensible permet la croissance cellulaire et la paroi secondaire se dépose après l’acquisition de la taille cellulaire et renforce la paroi.

• Après la mitose, les vésicules de l’appareil de Golgi fusionnent à la plaque équatoriale pour former une plaque cellulaire, qui rejoint les parois existantes et donne la lamelle moyenne entre les cellules filles.

Compléments

• La paroi cellulaire végétale représente environ 90 % de glucides et 10 % de protéines dans sa masse sèche.

• La cutine forme la cuticule épidermique, qui ralentit la transpiration en étant imperméable à l’eau tout en restant légèrement perméable aux gaz et à la vapeur.

• La subérine imprègne les parois cellulaires et les rend imperméables aux gaz, tout en constituant un isolant thermique.

💡 Astuce mémo

Lamelle moyenne → paroi primaire → paroi secondaire

📖 10. Noyau en interphase

📝 Points essentiels

• Robert Brown a interprété le noyau comme un constituant essentiel et permanent de la cellule après ses observations d’épidermes d’orchidées en 1831.

• En microscopie optique après coloration, le noyau interphasique apparaît comme une masse ovoïde de 10 à 20 μm, représentant environ 6 % du volume cellulaire.

📖 11. Composés hydrophobes végétaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Sporopollénine : Molécule principale de l’exine des spores et des grains de pollen, qu’elle rend résistante à la dégradation.

★ À maîtriser

• Totalement hydrophobes, les cires sont imperméables à l’eau et aux gaz et limitent ainsi la transpiration des plantes.

• La subérine est un polymère hydrophobe qui imprègne les parois, les rend imperméables aux gaz et constitue un très bon isolant thermique.

Compléments

• Les cires sont des esters d’acides gras et d’alcools gras à longue chaîne, principalement constitués de cérides, et se déposent sur ou dans la cuticule sous forme supracuticulaire ou intracuticulaire.

• Les cires végétales peuvent prendre la forme de bâtonnets, de granulations, d’une pellicule ou d’une pruine, et leur présence n’est pas constante.

• Aucune enzyme connue ne dégrade la sporopollénine.

💡 Astuce mémo

La cire couvre la cuticule, la subérine imprègne la paroi

📖 12. Noyau, chromatine et cycle cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléosome : Unité fondamentale de la chromatine, constituée de 146 paires de bases d’ADN enroulées sur environ 1,7 tour autour d’un octamère comprenant deux exemplaires de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4.

★ À maîtriser

• Le noyau interphasique est un organite des cellules eucaryotes, généralement arrondi, de 5 à 10 μm de diamètre, et représente environ 6 % du volume cellulaire.

• Chez l’être humain, les cellules somatiques possèdent 46 chromosomes diploïdes, tandis que les gamètes en possèdent 23 haploïdes.

📌 L’euchromatine est décondensée pendant l’interphase et répartie dans le nucléoplasme, tandis que l’hétérochromatine reste condensée et se situe principalement en périphérie du noyau et du nucléole.

• Le cycle cellulaire comprend l’interphase, composée des phases G1, S et G2, puis la mitose, qui répartit les chromosomes dupliqués entre deux cellules filles.

Compléments

• L’assemblage de la chromatine commence par le dépôt du tétramère (H3-H4)₂ sur l’ADN, suivi de l’ajout de deux dimères H2A-H2B pour former le cœur nucléosomique, puis de la maturation dépendante de l’ATP qui espace les nucléosomes, de l’incorporation des histones internucléosomales et du repliement en niveaux de compaction supérieurs.

• La phase G0 est une phase d’attente que peuvent rejoindre les cellules en phase G1 lorsqu’elles quittent le cycle cellulaire.

💡 Astuce mémo

G1 grandit, S copie l’ADN, G2 contrôle, M partage

📖 13. Ribosomes et synthèse protéique

🔑 Notions clés & Définitions

• Ribosome : Complexe d’ARN ribosomique et de protéines qui traduit l’information de l’ARN messager en protéine.

★ À maîtriser

📌 Les ribosomes eucaryotes cytoplasmiques ont un coefficient de sédimentation de 80 S, les ribosomes procaryotes de 70 S et les mitoribosomes de 60 à 70 S.

📌 Lors de la traduction, l’ARNm passe entre les deux sous-unités du ribosome, la petite sous-unité le lit et la grande sous-unité catalyse les liaisons peptidiques.

• La synthèse protéique comprend la transcription d’une séquence d’ADN en ARN messager, puis la traduction de cet ARN messager en séquence polypeptidique par les ribosomes.

Compléments

• Chez les eucaryotes, les ribosomes sont assemblés dans le nucléole et leurs sous-unités gagnent séparément le cytoplasme, où elles se réunissent pour la traduction.

• Dans la grande sous-unité ribosomique, le site P accueille un ARNt portant la chaîne polypeptidique en cours, tandis que le site A accueille un ARNt apportant le prochain acide aminé.

💡 Astuce mémo

L’ARNm porte le message, l’ARNt apporte l’acide aminé

📖 14. Transcription et traduction

★ À maîtriser

• Une information correspondant à un acide aminé est portée par un triplet de nucléotides de l’ADN, et l’assemblage des acides aminés est contrôlé par la séquence nucléotidique.

• La transcription copie une région codante de l’ADN en ARN grâce à l’ARN polymérase, puis la traduction décode l’ARNm en chaîne polypeptidique au niveau des ribosomes.

• 🔄 La maturation de l’ARN prémessager comprend : l’ajout d’une coiffe de guanine triphosphate en 5′, l’ajout d’une queue poly-A en 3′, l’élimination des introns et la liaison des exons, la sortie de l’ARNm mature du noyau

• Le code génétique comporte 64 codons : 3 codons stop et 61 codons codant des acides aminés, dont plusieurs codons synonymes peuvent coder le même acide aminé.

• La traduction commence au codon AUG, se poursuit par l’arrivée d’ARNt au site A, la formation de liaisons peptidiques et la translocation, puis s’arrête à un codon stop parmi UAA, UAG et UGA, libérant la chaîne polypeptidique.

Compléments

📌 Le code génétique est presque universel, mais le codon AGA code l’arginine chez les eucaryotes et un codon stop dans les mitochondries.

💡 Astuce mémo

ADN → ARNm → polypeptide

📖 15. Plastes et chloroplastes

🔑 Notions clés & Définitions

• Plaste : Organite des cellules végétales possédant un ADN propre et une double membrane, et pouvant se différencier en plusieurs types.

★ À maîtriser

• Les chloroplastes réalisent la photosynthèse, les chromoplastes contiennent des pigments non chlorophylliens et les leucoplastes sont dépourvus de pigments et peuvent stocker des réserves.

• Les chloroplastes sont constitués de deux membranes, de thylakoïdes empilés en grana et baignés dans le stroma, et contiennent de l’ADN circulaire et des ribosomes.

Compléments

• Les amyloplastes stockent l’amidon, les oléoplastes les lipides et les protéinoplastes des protéines.

• Un leucoplaste de pomme de terre peut devenir un chloroplaste à la lumière, tandis qu’un chloroplaste de citron peut devenir un chromoplaste pendant la maturation du fruit.

• La double membrane, l’ADN circulaire et les ribosomes des chloroplastes appuient l’hypothèse d’une origine endosymbiotique à partir de cyanobactéries.

💡 Astuce mémo

Thylakoïdes : lumière ; stroma : cycle de Calvin

📖 16. Étapes de la photosynthèse

★ À maîtriser

📐 Formule - La photosynthèse oxygénique peut être résumée par $n(\mathrm{CO_2+H_2O}) + h\nu \rightarrow (\mathrm{CH_2O})_n + n\mathrm{O_2}$.

📌 La phase lumineuse se déroule dans les membranes des thylakoïdes et produit de l’ATP et du NADPH, tandis que le cycle de Calvin se déroule dans le stroma et utilise ces molécules pour fixer le CO₂ et synthétiser des glucides.

📌 La photophosphorylation cyclique produit de l’ATP sans dégager d’O₂ ni produire de NADPH, tandis que la photophosphorylation acyclique, qui implique les photosystèmes I et II et la photolyse de l’eau, produit de l’ATP, du NADPH et de l’O₂.

• Le cycle de Calvin se déroule dans le stroma, fixe le CO₂ grâce à la Rubisco et se répète six fois pour former une molécule de glucose selon le cours.

Compléments

• Les photosystèmes eucaryotes sont le photosystème I, associé au centre réactionnel P700, et le photosystème II, associé au centre réactionnel P680.

• La Rubisco peut représenter jusqu’à 16 % des protéines totales du chloroplaste.

💡 Astuce mémo

Lumière → ATP et NADPH → fixation du CO₂

📖 17. Respiration cellulaire et production d’ATP

🔑 Notions clés & Définitions

• ATP : Constituée d’adénine liée à un ribose, lui-même attaché à une chaîne de trois groupements phosphate.

★ À maîtriser

• L’hydrolyse de l’ATP transfère un groupement phosphate à une autre molécule et libère de l’énergie, tandis que l’ADP peut être rechargé en ATP grâce à l’énergie issue de l’oxydation des aliments.

📐 Formule - Le bilan de la glycolyse est $\mathrm{C_6H_{12}O_6 + 2 NAD^+ + 2 ADP + 2 P_i \rightarrow 2 CH_3COCOOH + 2 NADH + 2 H^+ + 2 ATP}$.

• La glycolyse cytosolique dégrade une molécule de glucose en deux pyruvates en deux phases : elle investit 2 ATP, puis produit 4 ATP et 2 NADH, pour un bilan net de 2 ATP et 2 NADH.

• Pour un glucose, la respiration aérobie produit au mieux 36 à 38 ATP, avec un rendement énergétique annoncé de 63 %.

• En absence d’oxygène, la chaîne respiratoire et le cycle de Krebs sont bloqués ; la fermentation réoxyde le NADH en NAD⁺, ce qui permet à la glycolyse de continuer et de fournir 2 ATP nets par glucose.

Compléments

• La glycolyse comprend 10 étapes enzymatiques et produit son ATP par phosphorylation au niveau du substrat.

📌 La fermentation alcoolique transforme le pyruvate en acétaldéhyde puis en éthanol avec libération de CO₂, tandis que la fermentation lactique réduit directement le pyruvate en acide lactique sans libérer de CO₂.

💡 Astuce mémo

Glucose → glycolyse → Krebs → chaîne respiratoire

📖 18. Compartiments et fonctions des organites

🔑 Notions clés & Définitions

• Vacuole : Compartiment délimité par une membrane, rempli d’eau et contenant diverses molécules organiques ou inorganiques, notamment des enzymes.
• Lysosome : Vésicule contenant des hydrolases acides qui dégradent les macromolécules dans un milieu acide.
• Peroxysome : Vésicule à membrane simple contenant des enzymes qui utilisent l’oxygène pour oxyder certaines molécules et participer à la détoxification cellulaire.
• Appareil de Golgi : L’ensemble des dictyosomes, formés de saccules empilés, qui reçoit notamment les protéines du réticulum endoplasmique rugueux, les modifie, les trie et les achemine vers d’autres compartiments ou vers l’extérieur de la cellule.

📝 Points essentiels

• Les mitochondries ont deux membranes qui délimitent trois milieux : l’espace extra-mitochondrial, l’espace intermembranaire et la matrice.

• La membrane interne forme des crêtes et contient la chaîne respiratoire, l’ATP synthase et des transporteurs nécessaires à la production d’ATP.

📌 L’hétérophagie digère des matériaux provenant de l’extérieur de la cellule, tandis que l’autophagie dégrade des portions cellulaires devenues inutiles ou endommagées.

• Les réactions peroxysomales consomment d’abord de l’oxygène et produisent du peroxyde d’hydrogène, puis les catalases consomment ce peroxyde lors de la détoxification.

• Les maladies peroxysomales décrites sont transmises sur un mode autosomique récessif et entraînent l’accumulation de métabolites, surtout lipidiques, que des enzymes mutées ne peuvent dégrader.

• Le syndrome de Zellweger est lié à une mutation de la peroxine 1 qui perturbe la production des peroxysomes et provoque une accumulation lipidique dans le foie, le système nerveux, le rein et la glande surrénale.

• L’adrénoleucodystrophie liée à l’X résulte d’une mutation d’un gène du chromosome X ou d’une enzyme de la β-oxydation des acides gras à très longue chaîne, qui s’accumulent dans la glande surrénale et la substance blanche.

• Les modifications golgiennes des glycoprotéines se répartissent séquentiellement entre les régions cis, médiane et trans.

• Le réticulum endoplasmique rugueux porte des ribosomes sur la face externe de sa membrane et assure notamment la synthèse et la translocation des protéines membranaires et sécrétoires.

• Le réticulum endoplasmique lisse synthétise notamment les phospholipides membranaires, le cholestérol et les sphingolipides, participe à la détoxification et stocke puis relargue le calcium.

• Le cytosquelette est un réseau dynamique de filaments protéiques qui organise le cytoplasme, contribue à la forme et à la résistance cellulaires et permet des mouvements et des déplacements intracellulaires.

• Le cytosquelette comprend trois types de filaments :

  • Les microtubules de tubuline.
  • Les microfilaments d’actine.
  • Les filaments intermédiaires de protéines fibreuses.

💡 Astuce mémo

La membrane interne fabrique l’ATP, la matrice héberge le cycle de Krebs

📊 Tableaux de synthèse

Compaction de la chromatine