Fiche de révision : Techniques et structures cellulaires

📋 Plan du Cours

1. Repères en microscopie électronique
2. Préparation des échantillons pour MET
3. Techniques d’étude des membranes
4. Microscope électronique à balayage
5. Noyau et organisation du génome
6. Compaction et états de la chromatine
7. Enveloppe nucléaire et nucléole
8. Cycle cellulaire et divisions
9. Actine et microtubules
10. Filaments intermédiaires
11. Paroi et échanges végétaux
12. Vacuole et plastes végétaux

📅 Repères chronologiques

1. 1665Robert Hooke introduit le terme de cellule, associé à ses observations du liège.
2. 1931Le microscope électronique en transmission (MET) est mis au point.
3. 1938Le MET est perfectionné et commercialisé.
4. 1964Le microscope électronique à balayage (MEB) est commercialisé.
5. 2017La cryomicroscopie électronique permet d’atteindre la résolution atomique de complexes protéiques et révolutionne la biologie structurale.

📖 1. Repères en microscopie électronique

📝 Points essentiels

• La microscopie électronique atteint une résolution de 0,1 nm et un grossissement supérieur à 10⁶, contre environ 200 nm et 1 500 à 2 000 fois pour le microscope optique.

📖 2. Préparation des échantillons pour MET

★ À maîtriser

• 🔄 La préparation standard suit cinq étapes :

  1. Fixation de l’échantillon
  2. Déshydratation et remplacement de l’eau par un liquide hydrophile
  3. Inclusion dans une résine thermodurcissable
  4. Réalisation de coupes ultrafines et dépôt sur une grille
  5. Métallisation des coupes

• Les coupes destinées au MET ont une épaisseur inférieure à 100 nm et sont réalisées à l’ultramicrotome.

Compléments

• Les échantillons destinés au MET doivent résister à l’échauffement et au vide, ce qui impose l’absence de substances volatiles comme l’eau.

• La fixation préserve les protéines et les formes cellulaires, stabilise les lipides et contribue au contraste ; elle utilise notamment le glutaraldéhyde ou le formaldéhyde et le tétroxyde d’osmium.

• L’inclusion imprègne les tissus d’une résine époxy thermodurcissable, telle que l’araldite ou l’épon.

• Les coupes sont déposées sur une membrane soutenue par une grille d’environ 3 mm, en cuivre pour la coloration standard ou en or ou nickel pour l’immunomarquage.

• Le contraste des coupes dépend du nombre atomique ; les sels de métaux lourds utilisés comprennent l’acétate d’uranyle et le citrate de plomb.

💡 Astuce mémo

Fixer, inclure, couper, déposer, métalliser.

📖 3. Techniques d’étude des membranes

★ À maîtriser

• La cryofixation vitrifiée à −196 °C dans l’azote liquide empêche la formation de cristaux de glace qui endommageraient les structures cellulaires.

• En cryofracture, l’échantillon congelé est fracturé sous vide au niveau de zones membranaires de moindre résistance, puis la surface est répliquée par ombrage au platine à 45° et stabilisée par du carbone.

• L’immunomarquage localise une protéine grâce à un anticorps primaire spécifique, révélé par des particules d’or colloïdal couplées à un anticorps secondaire dirigé contre le premier anticorps.

Compléments

• Le cryodécapage sublime sous vide et à basse température l’eau cytosolique congelée, retirant la glace superficielle et révélant davantage le relief avant la réalisation de la réplique.

📌 L’ombrage forme une ombre portée par vaporisation de métaux sous vide, tandis que la coloration négative dépose un sel opaque aux électrons, comme l’acide phosphotungstique, pour révéler le contour de l’échantillon.

• L’inclusion à froid dans des résines hydrophiles préserve les épitopes et permet l’immunomarquage simultané de plusieurs antigènes.

📖 4. Microscope électronique à balayage

🔑 Notions clés & Définitions

• Microscope électronique à balayage : Le microscope électronique à balayage (MEB) balaie la surface de l’échantillon avec un faisceau d’électrons et exploite les électrons de basse énergie produits par l’interaction entre les électrons et la matière pour renseigner sur la topographie.

★ À maîtriser

• Le MEB offre une grande profondeur de champ et produit un rendu tridimensionnel adapté à l’étude des surfaces.

Compléments

• En microscopie électronique à balayage à pression variable (VP-SEM), la métallisation des échantillons n’est pas toujours nécessaire et des échantillons non conducteurs peuvent être observés dans des conditions proches de leur environnement naturel.

• Le MEB atteint un grossissement de 300 000 fois et une résolution de 3,5 nm, moins bonne que celle du MET.

💡 Astuce mémo

Le MET traverse l’échantillon ; le MEB balaie sa surface.

📖 5. Noyau et organisation du génome

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau : Le noyau est l’organite eucaryote le plus volumineux, mesure 5 à 7 µm et stocke, protège et organise 99 % de l’ADN génomique de la cellule.
• Génome nucléaire : Le génome nucléaire est l’ensemble du matériel génétique porté par les chromosomes ; il comprend des régions codantes, notamment les exons, et des régions non codantes, notamment les introns et les séquences intergéniques.

★ À maîtriser

• Le noyau est le principal lieu de synthèse des acides nucléiques, notamment de la réplication de l’ADN avant la division et de la transcription et maturation des différents types d’ARN.

📌 Les cellules somatiques humaines sont diploïdes (2n) et possèdent 46 chromosomes, tandis que les gamètes sont haploïdes (1n) et possèdent un exemplaire de chaque chromosome.

• Le caryotype d’une cellule somatique humaine comprend 22 paires d’autosomes et une paire de chromosomes sexuels, appelés gonosomes.

Compléments

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

📖 6. Compaction et états de la chromatine

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléosome : Le nucléosome est l’unité fondamentale de la chromatine, composée d’un cœur de huit histones autour duquel s’enroulent 145 à 147 paires de bases d’ADN.

★ À maîtriser

• 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 aux facteurs de transcription.

📌 L’euchromatine est diffuse et accessible aux polymérases et aux facteurs de transcription, tandis que l’hétérochromatine est dense et comprend une forme constitutive associée notamment aux régions répétées proches des centromères et télomères et une forme facultative dont la condensation varie selon l’état cellulaire.

Compléments

• Le cœur du nucléosome contient deux copies de chacune des histones H2A, H2B, H3 et H4, tandis que l’ADN internucléosomal relie les cœurs successifs sur une longueur de 20 à 80 paires de bases.

• Les histones du cœur sont basiques et riches en arginine et lysine, dont les charges positives favorisent leur interaction avec les groupements phosphate négatifs de l’ADN.

• L’histone H1 stabilise l’enroulement de l’ADN autour du nucléosome et l’empilement des nucléosomes dans le nucléofilament.

• Les boucles de chromatine organisent le nucléofilament en structures tridimensionnelles, parfois ancrées à la lamina nucléaire, et leur organisation varie selon le cycle cellulaire, l’environnement et la différenciation.

💡 Astuce mémo

Nucléosome, nucléofilament, boucles, chromosome métaphasique.

📖 7. Enveloppe nucléaire et nucléole

🔑 Notions clés & Définitions

• Pore nucléaire : Le pore nucléaire est un complexe de nucléoporines à symétrie octogonale qui régule les échanges entre le noyau et le cytoplasme et comprend deux anneaux, un canal central, huit canaux latéraux et des filaments nucléoplasmiques formant un panier.
• Nucléole : Le nucléole est une région nucléaire sans membrane où les ARNr 18S, 5,8S et 28S sont transcrits et maturés et où débute l’assemblage des sous-unités ribosomiques 40S et 60S.
• Lamina nucléaire : La lamina nucléaire est un réseau dynamique de protéines fibreuses de type V qui borde la membrane nucléaire interne, soutient l’enveloppe et contribue à la morphologie du noyau et à la fixation périphérique de la chromatine.

★ À maîtriser

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

📌 Le transport passif à travers les pores nucléaires concerne les molécules de moins de 50 kDa, tandis que le transport actif passe par le canal central et dépend principalement de l’hydrolyse du GTP.

Compléments

• Une cellule de mammifère possède environ 2 000 à 10 000 pores nucléaires, constitués de multiples copies d’environ 30 types de nucléoporines.

• L’import nucléaire de certaines protéines dépend d’un signal NLS de 8 à 10 acides aminés reconnu par les importines, tandis que l’export repose sur un signal NES reconnu par les exportines.

📖 8. Cycle cellulaire et divisions

🔑 Notions clés & Définitions

• Mitose : La mitose est une division nucléaire asexuée des cellules eucaryotes qui produit deux cellules filles génétiquement identiques à la cellule mère.
• Méiose : La méiose est une succession de deux divisions cellulaires précédées d’une seule réplication, qui transforme une cellule mère diploïde en quatre cellules filles haploïdes appelées gamètes.

★ À maîtriser

📌 L’interphase comprend G₁, phase de croissance et de production d’organites, S, phase de réplication de l’ADN, puis G₂, phase de vérification et de réparation éventuelle de l’ADN répliqué.

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

• La phase M comprend la mitose, qui divise le noyau, puis la cytodiérèse, qui divise le cytoplasme.

Compléments

• Certaines cellules, notamment des neurones, hépatocytes et cellules musculaires, peuvent entrer en quiescence G₀, temporaire ou définitive.

💡 Astuce mémo

G₁, S, G₂ précèdent la phase M.

📖 9. Actine et microtubules

★ À maîtriser

• 🔄 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 des monomères à l’extrémité +
  3. Phase stationnaire où association et dissociation s’équilibrent

• Les microtubules du fuseau se répartissent en microtubules astraux, polaires et kinétochoriens ; à l’anaphase, les microtubules kinétochoriens se raccourcissent et tirent les chromatides sœurs vers les pôles opposés.

📌 La kinésine assure le transport antérograde du pôle − vers le pôle +, tandis que la dynéine assure le transport rétrograde du pôle + vers le pôle −.

Compléments

• L’actine hydrolyse l’ATP en ADP ; l’actine-ADP stable dans le filament favorise la dépolymérisation, particulièrement à l’extrémité −.

• Les microfilaments sont principalement situés sous la membrane plasmique et contribuent au maintien de la forme cellulaire, notamment chez les cellules animales dépourvues de paroi rigide.

• Les protéines de liaison à l’actine comprennent la spectrine, qui ancre les microfilaments à la membrane, la gelsoline, qui les fragmente en réponse au Ca²⁺, la filamine, qui les organise en faisceaux ou en réseau, la profiline, qui favorise l’incorporation de l’actine G à l’extrémité positive des microfilaments, et la thymosine, qui séquestre l’actine G et inhibe sa polymérisation.

• L’actine participe à plusieurs fonctions cellulaires :

  • Contraction avec la myosine de type 2
  • Migration cellulaire par pseudopodes
  • Phagocytose
  • Cyclose végétale
  • Déplacement d’organites avec les myosines 5 ou 6
  • Cytodiérèse animale par anneau contractile

📖 10. Filaments intermédiaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Filaments intermédiaires : Les filaments intermédiaires sont des fibres apolaires, flexibles et résistantes, de 8 à 10 nm de diamètre, formées de protéines fibreuses et organisées en huit protofilaments.

★ À maîtriser

• Les filaments intermédiaires assurent la forme et la cohésion des cellules animales grâce notamment aux desmosomes et aux hémidesmosomes, et contribuent à l’ancrage des organites et au soutien de l’enveloppe nucléaire.

Compléments

• Les principaux types de filaments intermédiaires se répartissent ainsi :

  • Kératines dans les cellules épithéliales et leurs dérivés
  • Vimentines et desmine dans les cellules souches, embryonnaires ou musculaires
  • Neurofilaments dans les neurones
  • Lamines dans la lamina nucléaire

• Les kératines contribuent à la formation des phanères, notamment des ongles et des cheveux.

📖 11. Paroi et échanges végétaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Lamelle moyenne : La lamelle moyenne est une cloison commune à deux cellules adjacentes, riche en pectines et assurant leur adhérence comme un ciment intercellulaire.
• Plasmodesme : Un plasmodesme est un canal de 20 à 40 nm traversant la paroi végétale et reliant les cytoplasmes de cellules adjacentes pour permettre le passage de l’eau, des solutés, des phytohormones et des virus.

★ À maîtriser

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

• La paroi primaire des cellules jeunes en croissance est constituée de cellulose, pectines, hémicellulose, protéines, enzymes, ions et 60 à 80 % d’eau.

• La paroi secondaire se dépose après l’arrêt de la croissance cellulaire, est plus dense et moins extensible que la paroi primaire, et comprend souvent trois couches nommées S1, S2 et S3 aux orientations de microfibrilles différentes.

📌 La voie symplastique permet les échanges par les plasmodesmes entre cytoplasmes, tandis que la voie apoplastique emprunte les parois cellulaires.

Compléments

📌 La paroi végétale mature comprend, depuis le plasmalemme vers l’extérieur, la paroi secondaire d’environ 1 µm lorsqu’elle est présente, la paroi primaire de 50 à 100 nm, puis la lamelle moyenne.

• 🔄 La lamelle moyenne se forme lors de la cytodiérèse :

  1. Accumulation de vésicules golgiennes au centre de la cellule mère
  2. Fusion des vésicules en plaque cellulaire
  3. Progression de la plaque vers les parois et formation de la lamelle moyenne

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

• La paroi secondaire lignifiée est caractéristique du bois et contribue au soutien des tissus, notamment du sclérenchyme et du xylème ; le xylème conduit la sève brute et le phloème la sève élaborée.

📌 La cutinisation dépose une cuticule hydrophobe sur l’épiderme et limite les pertes d’eau, tandis que la subérinisation imprègne la paroi secondaire d’une cire imperméable et isolante, comme dans le liège.

• La callose peut se déposer temporairement autour des plasmodesmes et réduire leur ouverture, tandis que le desmotubule dérive de portions de réticulum endoplasmique piégées lors de la formation de la plaque cellulaire.

💡 Astuce mémo

Lamelle moyenne, paroi primaire, paroi secondaire.

📖 12. Vacuole et plastes végétaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Vacuole : La vacuole est un organite végétal délimité par le tonoplaste, contenant le suc vacuolaire et pouvant occuper jusqu’à 80 à 90 % du volume cellulaire.

★ À maîtriser

• La vacuole participe à l’homéostasie du pH, à la détoxification des déchets métaboliques et au maintien de la pression de turgescence nécessaire au port dressé et à la croissance cellulaire.

• Les chloroplastes portent des pigments photosynthétiques et réalisent la photosynthèse, les chromoplastes contiennent des caroténoïdes et les amyloplastes accumulent de l’amidon.

Compléments

• Le tonoplaste est une bicouche phospholipidique dont le pH interne est d’environ 5 à 5,5 ; il contient des ATPases, des antiports, des symports, des canaux ioniques et des aquaporines.

• Le suc vacuolaire contient de l’eau, des acides carboxyliques, des glucides, des ions, des enzymes et des pigments, et son pH est d’environ 5 contre 7 dans le cytosol.

• La vacuole stocke des produits du métabolisme primaire et secondaire, notamment du saccharose, des tannins, des alcaloïdes, des terpénoïdes et des pigments comme les anthocyanes.