Les membranes cellulaires

Les membranes cellulaires :

Nature, propriétés physico-chimiques, fonctionnement, et implications sur l’origine de la cellule

Schéma montrant la complexité chimique de la membrane cellulaire…Complexe à première vue… Nous allons décortiquer chacune des propriétés!

Cellule eucaryote : rappels

Ex. pour une cellule eucaryote animale

THEORIE CELLULAIRE

1. la cellule, unité vivante, est l’unité de base du vivant

(=la plus petite unité structurale du vivant)

2. tous les êtres vivants sont constitués d’une ou

plusieurs cellules.

3. Toute cellule provient d’une autre cellule (pas de génération spontanée)

La cellule comme unité fondamentale du vivant a été préservée au coursde l’évolution – De nouvelles propriétés sont apparues au cours del’évolution

Nous allons voir comment la compréhension de la membrane permet demieux comprendre la théorie cellulaire

Des algues unicellulaires (Zooxanthelles )

La membrane cellulaire est l’interface entre le

cytoplasme et le milieu extérieur

Observations au microscope électronique à transmission d’une membrane cytoplasmique

(fort grossissement et très fort grossissement)

ACTIVITE 1 : Nature (composition) de la membrane cellulaire

Épaisseur de l’ordre de 5 à 10 nm (difficile à observer)

La microscopie permet d’observer que la membrane est organisée sous la forme d’une double couche…Mais ne permet d’aller bien plus loin ➔ Nécessité de compléter par une approche expérimentale

Globules rouges = Hématies = Erythrocytes


Les expériences de cette activité sont basées sur l’étude de globules rouges, cellules spécialisées dans le transport des gaz respiratoires dans le sang1- Quels types de microscopes ont été utilisés pour réaliser ces photos?2- D’après vos observations, en quoi la configuration cellulaire est particulièrement adaptée pour faire des expériences sur les membranes?

Globules rouges = Hématies = Erythrocytes


Les expériences de cette activité sont basées sur l’étude de globules rouges, cellules spécialisées dans le transport des gaz respiratoires dans le sang1- Quels types de microscopes ont été utilisés pour réaliser ces photos? Optique à gauche et électronique à balayage à droite2- D’après vos observations, en quoi la configuration cellulaire est particulièrement adaptée pour faire des expériences sur les membranes?Absence de noyau : il ne reste qu’un cytoplasme dépourvu d’organite et une membrane. Cela simplifie les protocoles expérimentaux, nul besoin ici d’enlever le noyau ou les organites. De plus, le sang est facile à prélever…

CORRECTION

Transport de petites molécules (H20, O2, CO2) par diffusion à travers la bicouche phospholipidique

Les lois de l’osmose

Osmose: Phénomène de diffusion dans lequel une membrane entre deux liquides ou solutions

laisse passer le solvant mais non la substance dissoute


Au début du XX° siècle, une questionfondamentale était celle de lacomposition et de l’agencement desmolécules au sein des membranesplasmiques. Revisitions ici cesexpériences historiques.

1-A l’aide du document1, expliquez leprotocole expérimental (l’intérêt dechaque étape) et comment il permetd’isoler les membranes des globulesrouges. Quel est le comportement descomposants membranaires vis-à-vis del’eau?

2- Pourquoi étudier le sang dedifférents animaux?

3-Quels sont les composantschimiques principaux des membranesplasmiques?

4- Comparez la surface des cellulesavec la surface des lipidesmembranaires et concluez sur laconfiguration spatiale de cesmolécules au sein de la membrane

Numéro d'échantillon

AnimalQuantité de sang

utilisé (en g)Surface totale des membranes

plasmiques (en m²)Surface occupée par tous les lipides membranaires (en m²)

12

Chien4010

31,36,2

6212,2

34

Mouton109

2,952,65

6,25,8

567

Lapin10100,5

5,465,460,27

9,98,8

0,54

Protocole

Surface calculée

d’après la taille et la forme des globules rouges

Résultats


Les différents comportements des lipides en présence d’eau

ACTIVITE 1 : Nature (composition) de la membrane cellulaire CORRECTION & COMPLEMENTS

1-A l’aide du document1, expliquez le protocole expérimental (l’intérêt dechaque étape) et comment il permet d’isoler les membranes des globulesrouges. Quel est le comportement des composants membranaires vis-à-vis del’eau?Les variations de salinité permettent des mouvements d’eau entre le globule etl’extérieur, aboutissant à l’implosion de la cellule. Ici, la solution esthypotonique, sous concentrée en eau. Pour rétablir l’équilibre, l’eau pénètredans la cellule pour diminuer sa concentration en sels…mais finit par la faireéclater. Dans le tube, on a donc à ce stade les débris de membrane, decytoplasme et de plasma.La centrifugation consiste à faire vibrer le mélange pour en séparer les phases :les composants se séparent selon leur affinité avec l’eau. Les composants de lamembrane se retrouvent dans le culot – ce qui montre qu’ils ont une mauvaiseaffinité avec l’eau (hydrophobe).2- Pourquoi étudier le sang de différents animaux? Pour pouvoir généraliser lesconclusions à l’ensemble des animaux; autrement dit être sûr que les propriétéssoient partagées par toutes les cellules et pas seulement spécifiques d’uneespèce.3-Quels sont les composants chimiques principaux des membranesplasmiques? Lipides et protéines (d’après le texte du protocole)4- Comparez la surface des cellules avec la surface des lipides membranaires etconcluez sur la configuration spatiale de ces molécules au sein de la membraneRapport ~2:1 entre surface des lipides et surface des membranes des hématies.Les lipides s’arrangent en une bicouche, du fait de leur caractèreamphiphatique.

Caractères amphiphatiques

*Tête hydrophile (orientée vers les liquides)

*Queue hydrophobe (orientée vers l’intérieur

de la membrane)

➢ Ceci contrôle l’organisation des lipides au

sein de la membrane

Bicouche

la structure de la membrane plasmique

Structure d’un phospholipide membranaire

L'apport de la technique FRAP

Fluorescence Recovery After Photoextinction

Activité 2 : Le comportement mécanique de la membrane plasmique

1-Quel est le principe de l’expérience(comment permet-elle de tester la fluiditéou rigidité des lipides dans la membrane?)

2-Comment évolue la couleur du carré pourlequel la fluorescence est supprimée endébut d’expérience?

3-La membrane plasmique est-elle solide ouliquide? Rigide ou fluide? Dispose-t-elled’une structure fixe ou dynamique?

L'apport de la technique FRAP

Fluorescence Recovery After Photoextinction


1-Quel est le principe de l’expérience(comment permet-elle de tester la fluiditéou rigidité des lipides dans la membrane?)La fluorescence permet de suivre les lipidesde la membrane. Si la membrane est rigide,alors la zone décolorée reste décolorée. Enrevanche si elle est fluide, les lipides de lazone colorée bougent au sein de lamembrane et peuvent donc recolorer la zoneoù la fluorescence avait été enlevée2-Comment évolue la couleur du carré pourlequel la fluorescence est supprimée endébut d’expérience?Le carré décoloré se recolore peu à peu, enmoins d’une heure. Les lipides colorés par lafluorescence ont donc migré.3-La membrane plasmique est-elle solide ouliquide? Rigide ou fluide? Dispose-t-elled’une structure fixe ou dynamique?Liquide-Fluide et dynamique!

CORRECTION & COMPLEMENTS

Frye et Elidin ont fait l’expérience suivante en 1970 :Ils ont coloré des protéines de la membrane plasmique d’une cellule de souris et d’un cellule humaine avec des marqueurs différents, puis ils ont placé les cellules dans des conditions telles que leurs membranes se sont fusionnées (collées). A l’aide d’un microscope, ils ont ensuite observé la position des marqueurs sur la membrane de la cellule hybride.

A partir du document ci-contre, expliquez en quoi cette expérience permet de démontrer la fluidité des membranes, sous la forme d’un paragraphe argumenté

expérience de fusion cellulaire

Exercice maison- Comportement mécanique des membranes

Correction: les 2 marqueursdes protéines membranaires,initialement différents, seretrouvent distribués de façonhomogène au sein de lamembrane de la cellule issuede la fusion. Ceci indique queles protéines marquées ontdiffusé sur l’ensemble de lamembrane de cette celluleissue de la fusion. Lamembrane est donc fluide.

En solution dans l'eau, les phospholipides se disposent en un filmbimoléculaire de quelques nanomètres d'épaisseur, le coté apolaire estenfouis au coeur de la membrane alors que le coté polaire est encontact avec l'eau. Cette structure est appelée bicouche lipidique,chaque couche de lipide constituant une demi membrane.

La membrane est donc un liquide emprisonné entre deux autres milieuxliquides dans lesquels il est insoluble. Elle est donc fluide, les moléculeshydrophobes peuvent s'y dissoudre et s'y mouvoir librement. A l'inverse,la bicouche bloque totalement les molécules polaire.

La fluidité de la membrane est un paramètre important pour sonfonctionnement correct. Il n’y a pas que la mobilité horizontale, il peut

aussi y avoir mobilité verticale.Rôle des flipases

Mobilité des phospholipides au sein de la membrane?

Ou ensemble figé?

BILAN



Une dernière propriété des membranes plasmiques : Les transporteurs membranaires

http://ressources.unisciel.fr/biocell/chap2/co/module_Chap2_2.html

La diffusion par un transporteur augmente trèslargement la vitesse et la sélectivité de transportpar rapport à la diffusion simple. Le transporteur deglucose (la perméase GLUT1) illustre bien ces deuxaspects. Si on compare la diffusion passive à ladiffusion facilitée, la différence en efficacité dutransport membranaire est manifeste.

Pour aller plus loin …

La membrane plasmique – BILAN GENERAL

• Frontière entre la cellule et son milieu extérieur

• Nature : bicouche phospholipidique et protéines

• La membrane plasmique est une structure fluide et dynamique

• Sélection des molécules qui traversent la membrane (‘rôle de douane’) -Transport de solutés (différents modes de transport)

Protection de la cellule

Transduction de signal (Interaction ligand

externe-récepteur membranaire- réactions

chimiques à l’intérieur de la cellule) et d’énergie

(ex. photosynthèse)

Interactions entre cellules

Rôles Démontrés(à connaître et à savoir expliquer/démontrer)

Rôles nonDémontrés ici…

BILAN: Légendez le schéma de membrane suivant et indiquez les propriétés physico-chimiques de la membrane plasmique

Milieu extracellulaire

Cytoplasme


L’apparition des premières cellules Eucaryotes sur Terre

Toute cellule provient d’une autre cellule (pas de génération spontanée)

OK… Mais comment est apparue la première cellule eucaryote? Comment la complexité cellulaire et

l’organisation que nous connaissons aujourd’hui a émergé au cours de l’histoire de la vie?

La définition de la vie, du point de vue biologique:

Un organisme vivant est considéré comme un système

chimique capable de régénérer ses propres

constituants et capable d’échanger de la matière et

de l’énergie avec son environnement.

Ce système est capable de se reproduire de manière

imparfaite, engendrant à chaque génération des

formes légèrement différentes de lui-même,

sélectionnées au cours du temps selon leur degré

d’adaptation à leur environnement. Cette dernière

faculté est à l’origine de la grande diversité du vivant.

La vie sur Terre – seule connue à ce jour- est basée

sur la chimie du Carbone, de l'Azote, de l'Hydrogène

et de l'Oxygène.

Programme de Terminale…

Cellule Eucaryote Cellule Procaryote…Au microscope électronique à transmission

Les cellules procaryotes apparaissent les premières, avant les cellules eucaryotes.L’objectif de cette activité est de comprendre comment est apparue la cellule eucaryote.Première étape : Enoncez les principaux points communs et différences entre cellule procaryote et cellule eucaryote


Cellule Eucaryote Cellule Procaryote…Au microscope électronique à transmission

Première étape : Enoncez les principaux points communs et différences entre cellule procaryote et cellule eucaryotePoints communs : membrane, cytoplasmeDifférences : pas de noyau chez les procaryotes mais un chromosome baignant dans le cytoplasme, pas d’organite chez les procaryotes

L’apparition des premières cellules Eucaryotes sur Terre CORRECTION & COMPLEMENTS

Le contexte de la planète Terre au moment de l’apparition des cellules Eucaryotes

Les cellules eucaryotes sont apparues entre 1.5 et 2.5 milliards d’années. Les

premières traces de vie remontent cependant à 3.5-3.8 milliards d’années

avec l’apparition des cellules procaryotes. Certaines espèces de procaryotes

sont dès les premiers stades de leur histoire capables d’effectuer la

respiration ou la photosynthèse. L’atmosphère, initialement pauvre en

oxygène (réductrice) dans les premiers stades de l’histoire de la Terre,

devient riche en oxygène (oxydante) autour de 2 milliards d’années, suite à

l’activité photosynthétique de certains procaryotes (qui ont libéré de l’O2

dans l’atmosphère).

L’oxydation de l’atmosphère est à l’origine d’une crise biologique : en effet,

sous certaines formes dîtes réactives (anions superoxydes O2.-), l’oxygène

déstructure les membranes cellulaires et entraîne la mort des organismes.

Seules les cellules capables de réaliser la respiration auraient donc survécu –

à l’origine la respiration était donc une suite de réactions chimiques

permettant de contrecarrer l’action mortelle des formes réactives de

l’oxygène.

Autrement dit, parmi les cellules eucaryotes, seules les cellules disposant de

mitochondries ont survécu à ce changement d’environnement et à cette crise

biologique. L’objectif est de déterminer l’origine des mitochondries dans les

cellules eucaryotes.

ADN

Mitochon

-drial


Le document ci-dessus présente une image de microscopie à transmission d’une

mitochondrie, associé au schéma interprétatif. Le tableau présente une

comparaison des principaux constituants moléculaires des membranes de

mitochondrie, procaryote et eucaryote.

A partir de ce document, comparez les caractéristiques des cellules procaryotes

et de la mitochondrie (points communs et différences).


A partir de ce document, comparez les caractéristiques des cellules procaryotes et de la mitochondrie (points communs et différences).

Les mitochondries sont délimitées par une double membrane.

La membrane interne de la mitochondrie a la même composition qu’une membrane de procaryote

La Membrane externe de la mitochondrie a la même composition qu’une membrane d’eucaryote

On peut donc supposer que les mitochondries dérivent de cellule procaryotes qui auraient été capturées par les eucaryotes. Les

mitochondries dériveraient de cellules procaryotes capables de faire la respiration et donc de ‘désintoxiquer’ l’oxygène , apportant ainsi un

avantage sélectif lors de la crise biologique


La mitochondrie

ADN circ = ADN circulaire

A partir de la description du processus d’endocytose schématisé dans le document ci-dessus et des documents précédents,

proposez une histoire décrivant l’origine possible des mitochondries dans les cellules eucaryotes. Votre scénario sera illustré

par un schéma explicatif et un texte argumenté.


Les membranes plasmiques peuvent former des vésicules (analogues aux micelles). Elles subissent une invagination qui permetd’englober un micro-organisme et de le faire basculer du milieu extérieur vers le milieu intérieur de la cellule. Le micro-organisme conserve sa membrane (membrane interne de la mitochondrie) et gagne la membrane eucaryote qui l’englobe lorsde l’endocytose.La fluidité des membranes et leur capacité à former des vésicules a donc joué un rôle fondamental dans la formation desorganites des cellules eucaryotes, leur permettant ainsi d’acquérir des fonctions vitales dans leur métabolisme et d’êtresélectionnés au cours de l’histoire de la vie.

CORRECTION & COMPLEMENTSL’apparition des premières cellules Eucaryotes sur Terre

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