Procaryotes, Eucaryotes et Organites cellulaires€¢ Forme la limite propre de la cellule procaryote • Chez certaines bactéries, la membrane plasmique porte des replis internes,

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BIOLOGIE CELLULAIRE et TOXICOLOGIE - C. Daniel

Procaryotes, Eucaryotes et Organites cellulaires

• Toutes les cellules ont en commun :

◊ Un certain nombre de caractères structuraux ° L'architecture de la membranes plasmique, code

génétique, ... ◊ Beaucoup de processus métaboliques complexes

° Réplication le l’ADN ° Synthèse protéique ° Production d'énergie chimique

⇒ Par la conversion de glucose en C02 • Bien que les cellules bactériennes soient nettement plus petites que celles des animaux, des végétaux et même des champignons on pouvait admette que toutes renferment un noyau délimité et d' autres (compartiments internes, puisque la réaction de feulgen (qui colorait l'adn) ait mis en évidence une zone centrale d’aspect nucléaire dans certaines bactéries

• Avant la découverte du microscope électronique, on admettait aussi que toutes les cellules étaient organisées selon des principes architecturaux communs. ◊ Limitée à environ 0,5 µm de résolution, le microscope

photonique excluait toute étude de la structure interne des cellules bactériennes

• La structure cellulaire ne fut élucidée .5um -« .5 mm c’est 1000X (me 300mille x assex clair très beau négatif

• Au cours des années 1950, par une variété d'études morphologiques, on caractérise (ME) deux grands types de cellules :

° Cellules eucaryotes ⇒ Avec un noyau « vrai »

° Cellules procaryotes ⇒ Sans noyau « vrai »

• Évoluaient indépendamment l'une de l'autre depuis au moins un milliard d'années

◊ Bien que procaryotes et eucaryotes diffèrent radicalement dans leur architecture, on admet qu'ils descendent d'un ancêtre commun

• Se déroulent essentiellement aussi selon le même schéma chema pas dues à une coïncidence encètre commun

° Les composants chimiques des deux types sont étonnamment semblables

Département Des sciences Biologiques UQAM

Bio 1020

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• Le volume d'une cellule animale ou végétale typique est plusieurs centaines de fois supérieur à celui de la cellule bactérienne classique pourtant, • L'eau Compte pour environ 70 % de la masse cellulaire • Les autres petites molécules, sels, lipides, acides aminés et nucléotides Pour 7 % • Le reste est constitué de macromolécule Autour de 23 %

Cellules procaryotes et eucaryotes

• Les eucaryotes comprennent : ◊ Toutes les plantes et tous les animaux

• Des fougères les plus primitives aux plantes à fleur les plus complexes, • Des eponges les plus simples aux mammifères ;

◊ Les protistes ° Micro-organismes unicellulaires

• Euglènes, amibes, ...

◊ Les champignons • Dont notamment les moisissures

• Les procaryotes englobent ◊ Toutes les bactéries

° Classées en deux groupes ⇒ Les eubactéries

• La majorité des bactéries

• Davis Microbiology 1

• (dont les cyanobactéries appelées jadis algues bleu-vert) • Lorsque je parle de mécanisme bactérien c’est évidemment d’eux que je parle

⇒ ((Les archébactéries)) • Nichées dans des environnements particuliers

Méthanogènes, halophiles, thermoacidophiles, ... • confinés aux biotopes anaérobies tels les marais, où ils produisent du méthane, le « gaz de marais », par réduction du c02 • Qui se développent dans* les sources sulfureuses chaudes (800c) où le ph est d'habitude inférieur à 2

◊ Membrane plasmique ° En général, un seul type de membrane, la membrane

plasmique • Forme la limite propre de la cellule procaryote • Chez certaines bactéries, la membrane plasmique porte des replis internes, les mésosomes toutes les membranes internes de cellules procaryotes sont habituellement soudées à la membrane plasmique

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• On divise les bactéries en deux groupes : ◊ Les bactéries gram-négatives

° Non colorables par la technique de Gram • Dont fait partie la bactérie intestinale omniprésente Escherichia coli

° Comportent deux membranes à leur périphérie

⇒ La membrane interne • La vraie membrane plasmique • La principale barrière de

perméabilité de la cellule ⇒ La membrane externe

• Perméable à de nombreuses molécules de masse moléculaire de 1.000 ou plus

• Composé de lipopolysaccharides

•

° Les deux membranes sont séparées : ⇒ Par la paroi cellulaire, faite de peptidoglycanes

• Qui confèrent à la cellule sa rigidité • (des conjugués de protéines et d'oligosaccharides,

⇒ Par l'espace périplasmique • Protéine sécrétée par la cellule

• (généralement occupé par des protéines secrétées par la cellule

◊ Les bactéries gram-positives ° N'ont que la membrane plasmique, adossée vers

l'extérieur à une paroi cellulaire de peptidoglycanes ⇒ Plus épaisse que celle des bactéries gram-négatives

Bio. mol. de la cel. - Darnell J. 1

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Eucaryotes

Contiennent en plus une série de membranes internes, sans continuité avec la membrane plasmique :

• Qui délimitent des régions particulières et les séparent du reste du cytoplasme

◊ Un noyau ! ° La plupart des cellules eucaryotes possèdent beaucoup

d’autres organites : • Le plus volumineux organite cellulaire

◊ Des mitochondries • Où l'oxydation de petites molécules génère une grande partie de l 'ATP cellulaire

◊ Les réticulum endoplasmiques rugueux et lisse • Réseau membranaire où s'opère la synthèse des glycoprotéines et des lipides


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◊ Les vésicules du golgi • Qui dirige les constituants membranaires vers diverses destination intra-cellulaire

◊ Les lysosomes, peroxysomes • qui produisent et détruisent le peroxyde d'hydrogène)

◊ Ainsi que toutes sortes de plus petites vésicules... •

◊ Une ou plusieurs vacuoles plus ou moins volumineuses remplis de liquide

• Qui emmagasinent nutriments et déchets

Les cellules végétales contiennent en plus : ◊ Les chloroplastes

• Sites de la photosynthèse

• Chaque organite ◊ Joue un rôle particulier dans la croissance et le métabolisme

cellulaire •

◊ Et porte sa propre série d'enzymes qui catalysent les réactions chimiques indispensables

• Une part de cette spécificité est imputable aux membranes de l'organite, auxquelles sont attachés bon nombre d'enzymes et d'autres protéines

• Le cytoplasme des cellules eucaryotes

• C'est-à-dire l'espace périnucléaire

◊ Contient en plus une batterie d'agrégats protéiques fibreux formant le cytosquelette

• Microfilaments à squelette protéique d'actine • Les microtubu/es de dimension plus grande et faits de tubu/ine - • Ainsi que les filaments intermédiaires constitués d'un ou de plusieurs types d'éléments protéiques allongés • Ces éléments assurent ------ La résistance et la rigidité cellulaires et motilité intracellulaire • Ainsi, les microtubules sont un facteur-clé de la migration des rhrnmo~onie-~ nend~nt l~ rnitose

• Les cellules végétales ◊ Sont enveloppées de la paroi

cellulaire ° Faite de cellulose et d'autres

polymères qui déterminent la résistance et la rigidité de la cellule

• La croissance cellulaire exige une expansion de ces parois les cellules animales sont en général dépourvues de telles parois • Les cellules de mammilères les mieux connues et qui poussent bien en culture sont les cellules hela, une lignée descendant d'un carcinome du col utérin


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La cellule eucaryote • Il suffît de comparer la teneur en adn par cellule pour voir que le patrimoine génétique des procaryotes diffère de celui des eucaryotes

• La cellule eucaryote contient toujours plus d’ADN que la cellule procaryote ◊ Le génome d'E. Coli est constitué de 4 x 106 paires de base

• .... ... 1200 paire de bases pour en moyenne faire des protéine de 400 aa donc finalement

° Ce qui peut produire au maximum 3,300 espèces de protéines (de taille moyenne) ⇒ Seule une partie de cet ADN code pour les protéines

bactériennes • Une cellule d'E. Coli peut contenir jusqu'à 2,000

espèces différentes d’ARN et de protéines ◊ Les levures (dotées des plus petits parmi les génomes

d'eucaryotes) ⇒ Ont à peu près trois fois plus d’ADN que E. Coli

◊ Les cellules des plantes et des animaux supérieurs ⇒ Ont, en général, de 40 à 1,000 fois plus d’ADN que

E. Coli ◊ Le génome des amphibiens, 40,000 fois plus

• A supposer que tout cet adn serve au code de protéines, certaines cellules animales seraient capables de produire 3 x 106 types différents de protéines

⇒ Néanmoins, seule une fraction de l'adn total de la cellule eucaryote est d'habitude réservée au codage des protéines

◊ On estime que les invertébrés sont capables de produire ⇒ Environ 5,000 types de protéines

◊ L’homme ⇒ 50,000

• Donc bien moins que les capacités de leurs génomes respectifs

° Cela n'empêche pas les vertébrés d'exprimer plusieurs millions d'espèces différentes de molécules d'anticorps ⇒ Cette diversité provient de réarrangements des

segments d’ADN qui codent pour certaines régions des immunoglobulines et de mutations de ces gènes réarrangés

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• Chez tous les procaryotes connus ◊ La majorité ou tout l’ADN cellulaire est constitué :

° D'une seule molécule circulaire ° La cellule possède « un seul chromosome »

◊ La majeure partie de l’ADN génomique est située : ° Dans la région centrale de la cellule

⇒ Mais chez beaucoup de procaryotes l’ADN est fixé en plusieurs points à la membrane plasmique

◊ L’ADN doit être replié maintes fois sur lui-même ° Puisque la molécule d 'ADN

du chromosome d'e. Coli étirée au maximum occuperait une longueur de 1 millimètre (mm) ⇒ Soit 1,000 fois plus que la

cellule elle-même ◊ Plusieurs espèces de

procaryotes renferment, en plus, ° Plasmides

⇒ Soit de petites molécules d’ADN circulaires • longues de 1,000 à 30.000 paires de bases

⇒ Ils encodent d'habitude des protéines qui ne sont pas indispensables à la croissance cellulaire

• Beaucoup codent pour des protéines conférant une résistance à des antibiotiques ou à des substances toxiques

• Chez les cellules d'eucaryotes ◊ L’ADN des au contraire réparti en deux ou plus de deux

chromosomes ° Eux-mêmes enfermés, en dehors de la mitose, dans un

noyau bordé de membrane

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Organites des cellules eucaryotes • Le perfectionnement du microscope électronique on s'aperçut tout de suite que la structure interne des eucaryotes est bien plus complexe que celle des procaryotes, particulièrement dans l'organisation embrouillée du noyau.

• Le noyau eucaryote est limité par deux membranes biologi-ques (représentant l'enveloppe nucléaire) ◊ La membrane nucléaire

interne borde le noyau • (chez plusieurs type cellulaire)

◊ La membrane nucléaire externe se prolonge avec le réticulum endoplasmique rugueux

⇒ Un système membranaire cytoplasmique très développé

•

◊ L'espace entre les membranes nucléaires interne et externe est continu avec la lumière, où cavité interne, du RE rugueux (RER)

•

◊ Les deux membranes fusionnent au niveau des pores nucléaires

• • La répartition de ces pores est particulièrement frappante quand on observe le noyau traité par (ty()-!ïa(~ture(figure 4-34b et 4-35).

° Ceux-ci sont constitués d'une série particulière de protéines membranaires

•

° Ils servent de tunnels contrôlant la circulation de matériaux entre le noyau et le cytoplasme

• Le noyau comprend le nucléole formé d’un enchevêtrement fibreux et des complexes adn-protéines



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• Noyau au repos •

◊ Les chromosomes sont déployés (invisibles en microscopie optique)

• Et seulement épais de 20 nm, ce qui les rend invisibles au microscope photonique

◊ Le nucléole (bien visible en m.o.) • Les oganisateurs nucléolaire

° Contient de grandes boucles d’ADN qui proviennent de plusieurs chromosomes ⇒ Ces boucles contiennent de nombreux exemplaires de

séquences d’ADN régissant la synthèse d'ARN ribosomal

•

• • Majorité de l'arn ribosomial est synthétisée dans le nucléole ici aussi que certaines protéines ribosomiales s'associent aux arn ribosomiaux. • Bien que on y aient élucidé en partie le mode de compactage de l'adn. A l'échelle supérieure, on connaît encore fort mal l'organisation du noyau, • Un réseau tridimensionnel de protéines, les lamines, s'étale à la face interne de la membrane interne, soutenant sa forme et servant vraisemblablement d'ancrage à l'adn

• Le principal rôle physiologique du noyau •

◊ Est de conserver l'information génétique ainsi que de contrôler la synthèse d'ADN et sa transcription en ARN

•

° Dans une cellule qui grandit ou se différencie, le noyau est le siège d'une activité métabolique intense

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Le cytosol

Espace où baigne les organites cytoplasmiques • L'exposé précédent de la sécrétion protéique illustre d'importants principes qui concernent les structure et fonction des organites bordés de membrane

• Chaque type d'organites comprend un assortiment particulier d'enzymes et d'autres protéines adaptées à des fonctions déterminées

• Les organites n'ont pas d'existence par eux-mêmes

◊ Ils «communiquent » les uns avec les autres, probablement par l'intermédiaire de petites vésicules ° Qui transfèrent les composants membranaires et les

contenus des lumières d'un organite à l'autre • Le cytosol renferme également un cytosquelette composé d'au

moins trois sortes d'éléments : ° ((Les microtubules (diamètre de 29 nm)

•

° Les filaments intermédiaires (10 nm) • Dans différents cellules animales, on a identifié au moins cinq sortes de filaments intermédiaires, qui ont une constitution protéique propre

° Les microfilaments (7 nm) )) • Comme l'épaisseur des coupes de cellules ou de tissus destinés à la microscopie électronique classique doit être inférieure à 0,1 um, on n'observe sur une seule coupe qu'une fraction minime du volume cellulaire. Etant donné que la plupart des systèmes fibrillaires s'étendent sur plusieurs pm, on ne les reconnaît comme tels de l'étendue des fibrilles. Doit coupe sérié ! ! ..... Plexiglas ou coupe congelé et cryo-décapage

° Ce cytosquelette permet de soutenir : •

⇒ La forme de la cellule •

⇒ La motilité cellulaires •

⇒ Et sert de points d'ancrage à certaine structures cellulaires

• Les microtubules disparaissent sous l'effet de certains traitements cellulaires ◊ Physiques :

⇒ refroidissements ◊ Chimiques :

⇒ Colchicine, certains alcaloïdes, ... ⇒ L'action est réversible dans une certaine mesure par

réchauffement ou après arrêt d'administration du produit

° La colchicine a un très grand intérêt en toxicologie clinique et expérimentale en raison de sa liaison

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spécifique avec la tubuline des microtubules cellulaires réaction provoquant une dépolymérisation du système MT en particulier dans les granulocytes. ⇒ L'intoxication aiguë à la colchicine se manifeste par

une diarrhée hémorragique • un collapsus mortel pour une dose per os de l'ordre du milligramme/Kg.

⇒ En cas de survie on assiste à une réduction des cellules sanguines à grand renouvellement

⇒ Les divisions cellulaires observables dans le foie et la moelle osseuse étant bloquées en métaphase

° La colchicine permet l'identification des chromosomes après éclatement des cellules bloquées en métaphase (caryotype).

• La toxine de Bacillus Thurigensis est une molécule protéinique para-sporale riche en amino-acides acides et qui devient active par protéolyse incomplète dans l'intestin de larves et chenilles. L'action est remarquable su~ l'épithélium intestinal des insectes, avec une destruction quasi-immédiate, en moins d'une minute, du système microfibrillaire ainsi que des ribosomes et du réticulum endoplasmique................L'effet est nul dans l'intestin de manirnifère.

• De nombreuses cellules présentent dans leur cytosol :

•

◊ Des corpuscules d'inclusions •

° Granules dépourvus de membrane à leur pourtour

•

⇒ Ex : granules de glycogène, des gouttelettes d'acides gras, ...

• Cellules du muscle et celles du foie, les hépatocytes, contiennent des, un polymère de glucose servant de réserve énergétique à la cellule • Chez les organismes bien nourris, le glycogène représente jusqu'à 10% du poids frais du foie • Cellules adipeuses spécialisées du tissu graisseux

• Dans toutes les cellules, le cytosol contient de 20 à 50 % de l'ensemble des protéines cellulaires

• Ce qui favorise les interactions biochimiques • Bon nombre d'agrégats enzymatiques, notamment, ont tendance à se disloquer à cause de la dilution qui accompagne l'homogénéisation de la cellule Qui compose un vaste assortiment d'enzymes

⇒ C’est ainsi souvent le siège principal du métabolisme cellulaire

• Beaucoup de biologistes considèrent le cytosol comme délicatement organisé en un réseau trabéculaire, la plupart des protéines y étant fixées à des fibres ou étant confinées à des régions particulières


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Le réticulum endoplasmique (RE)

• Le système membranaire prépondérant de la cellule eucaryote ◊ Réseau de vésicules

membraneuses closes interconnectées ° Il se présente au cours

d'ultracentrifugations différentielle après broyage cellulaire, en vésicules visibles en microscopie électronique les microsomes.

• Site de synthèse de beaucoup de lipides et de protéines membranaires ◊ Les zones riches en

ribosomes ° Forment le réticulum

endoplasmique rugueux (RER)

◊ Les zones qui en sont dépourvues ° Forment le réticulum

endoplasmique lisse (REL) • Les fonctions du RE sont

doublement intéressantes en toxicologie

◊ C'est la zone où sont

métabolisés la plupart des xénobîotiques organiques.

◊ C'est la zone de fixation des ribosomes intermédiaires de synthèse des protéines cellulaires, y compris les enzymes du métabolisme xénobiotique

• Le développement du réticulum endoplasmique varie beaucoup d'une cellule à l'autre.

Bio. mol. de la cel. - Alberts B. 1

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• Le réticulum endoplasmique lisse •

◊ Est le siège de la synthèse et du métabolisme des acides gras et des phospholipides

• L'importance du rel varie selon le type de cellule. Beaucoup en ont peu, mais l'hépatocyte en est rempli • Il est le site principal de production des particules lipoprotéiques destinées à l'exportation

◊ Les enzymes du REL •

° Ils catalysent une série de réactions de détoxication (réaction de phase I et de phase II) des xénobiotiques liposolubles et de divers composés dangereux produits par le métabolisme

•

⇒ On y rencontre plusieurs famille d’enzyme de phase I aux fonctions diverses ((hydroxylation, réduction, hydrolyse, ...) dont une famille importante, les cytochromes P450

• Qui peuvent modifier le pouvoir toxique de nombreux pesticides, carcinogènes, ...

•

⇒ D'autres enzymes localisées dans la membrane du RE ajoutent ensuite des molécules hydrosolubles à des drogues ou des métabolites insolubles dans l'eau (réaction de phase II) permettant qu’il soit excrétés dans l'urine

• Les doses élevées de certains composés toxiques provoquent un développement énorme du REL de l’hépatocytes •

° Leur activité dépend de certaines stimulations dont les plus classiques sont dues au phénobarbital, à certains organochlorés (DDT, polychlorophénols, par exemple)

•

° Toxification ⇒ Certains xénobiotiques sont transformés par les

réactions de phase I en des métabolites très réactifs sur les constituants cellulaires

• Ils sont alors capables de dégrader le système enzymatique lui-même et des structures de voisinage : les lysosomes, la structure nucléaire et le DNA, ...

• Des médicaments sont actifs exclusivement par leurs métabolites (pro-drugs)

• Qui, autrement, s'accumuleraient dans les fraction lipidique tussulaire ... Dont évidemment les les membranes cellulaires ) • Puisque le re rugueux seul ne peut pas contenir suffisamment de ces enzymes là, et d'autres enzymes nécessaires, une grande partie de la membrane d'un hépatocyte est normalement constituée de re lisse

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• Le réticulum endoplasmique rugueux (RER) ◊ Les ribosomes accolés au

RER synthétisent : ° Certaines protéines des

membranes et des organites

° Ainsi que les protéines de sécrétion

•

◊ Les ribosomes qui produisent les protéines de sécrétion sont fixés au RER

• en partie par les chaînes polypeptidiques naissantes. • Il est particulièrement bien développé dans les cellules où les processus sécréteurs sont très importants. Dans les cellules exocrines du pancréas, il se présente sous forme de nombreuses lamelles très allongées et tassées les unes contre les autres. Il peut, au contraire, se présenter sous la forme de saccules plus ou moins dilatés et contenant un matériel peu dense, dans le plasmocyte par exemple (cellule activée àpartir des lymphocytes B, sécrétant des immunoglobulines). •

° À mesure que la chaîne polypeptidique en croissance émerge du ribosome, elle traverse la membrane du RER

• , un transfert auquel contribue des protéines membranaires particulières

⇒ Une fois terminées, les nouvelles molécules de protéine de sécrétion s’accumulent dans la lumière (cavité) du RER

• Toute cellule eucaryote renferme évidemment sa part de rer puisqu'elle doit produire certaines protéines et glycoprotéines de membrane plasmique,

◊ Le RER est présent dans toutes les cellules mais il est particulièrement abondant dans certaines cellules de sécrétion (glande)

• C'est le cas des cellules acineuses (grappes de cellules entourant les canalicules> du pancréas qui sont affectées à la synthèse d'enzymes de la digestion, une grande part du cytoplasme est remplie de rer • On a observé dans certains cas, par actions chimiques diverses (phénobarbital sur le foie par exemple) que des mitochondries étaient emprisonnées dans les lamelles du réticulum endoplasmique. Cette séquestration mitochondriale, longtemps considérée comme fortuite, correspondrait à la commande de la synthèse par le RER du cytochrome P-450 . Celui-ci sortirait de la mitochondrie « incluse » pour s'adjoindre à des sous-unités lipidiques le long de la nouvelle membrane réticulaire du REL en régénération.


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Le golgi • Quelques minutes après leur synthèse

Les protéines de sécrétion du RER sont transférées dans un autre système organitique limité par une membrane : le golgi

• Souvent logé au voisinage du noyau la reconstruction dans l'espace, d'après des coupes sériées


• Le golgi est constitué d’une série de sacs membraneux aplatis, entourés de nombreuses vésicules membraneuses plus ou moins sphériques

• C’est ces vésicules qui transportent les protéines arrivant ou quittant l'appareil de golgi

◊ Les protéines de sécrétion sont transférées de la lumière du RER à la lumière des vésicules du golgi par ces petites vésicules membraneuses ° Qui bourgeonnent des zones du RER

dépourvues de ribosomes ° Celle-ci fusionnent ensuite avec la

pile des saccules du golgi •

• Les saccules du golgi ◊ Participe activement aux remaniement

des protéines ° Beaucoup d'enzymes des saccules

du golgi modifient chimiquement ⇒ Les protéines de sécrétion

traversant la cavité du golgi ⇒ Ainsi, que les protéines et

glycoprotéines des membranes du golgi dans leur trajet vers leur destination finale


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◊ On distingue trois régions : ° Cis, médiane et trans

⇒ Les vésicules de transfert venues du RER semblent fusionner avec la région cis de l'appareil de golgi, puis leur contenu est transféré à sa région médiane, puis trans

• Les vésicules du golgi ◊ Jouent un rôle-clé dans la répartition

des protéines et des constituants membranaires de la cellule et dans leur pilotage jusqu'à leur destination propre

•


◊ Quand les protéines de sécrétion ont été remaniées dans les vésicules du golgi, elles sont exportées par des vésicules sécrétoires qui paraissent bourgeonner à la face trans du golgi

•

° Dans beaucoup de cellules, les membranes de ces vésicules, les grains de sécrétion, fusionnent avec la membrane plasmique, déchargeant leur contenu dans l'espace extracellulaire ⇒ C'est le processus d'exocytose

• Le contenu de ces réservoirs n'est déversé dans le milieu extracellulaire qu'après stimulation par un signal approprié qui induit la fusion des réservoirs avec la membrane superficielle. • Certaines de ces vesicules de transport, les 'ésicules tapissées, sont enveloppées d'une gaine protéique constituée surtout d'une protéine fibreuse appelée clathrine • On ignore encore comment les vésicules de transport «savent» à quelle membrane fusionner et où décharger leur contenu


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Les mitochondries

• Visibles en microscopie optique • Chaque type cellulaire semble avoir un nombre caractéristique de mitochondries..............La plupart des cellules d'eucaryotes renferment un grand nombre • Après le noyau, les vacuoles et les chloroplastes, elles sont parmi les plus grands organites, et il arrive qu'elles occupent 25 % du volume cytoplasmique

• La mitochondrie est le siège principal de production d’ATP dans les cellules aérobies ◊ Très souvent aussi, elles sont proches des organes qui

exigent de l'énergie ° Les myofibrilles dans le muscle ° Dans les spermatozoïdes, elles sont enroulées à la base

du flagelle • Dans les cellules pancréatiques, elles sont proches du RE à ribosomes synthétisant les protéines. • Dans le neurone, elles se situent surtout dans la plaque terminale là où se synthétisent les granules d'acétylcholine Dans les cellules des tubules rénaux, elles sont orientées, leur grand axe dans la direction des transports actifs.

•

Bio. mol. de la cel. - Alberts B. 5 • Les mitochondries sont souvent localisées près des vacuoles nutritives. Après 24 heures de jeûne, dans le foie de rat, elles sont disposés autour des enclaves lipidiques.

• Les mitochondries sont considérées comme les représentants de symbiotes ayant permis l'évolution de la cellule eucaryote animale

• L'équivalent végétal étant le chloroplaste

◊ Permis le passage de la vie anaérobie à la vie aérobie grâce à des capacités respiratoires et énergétiques propres (triplement du rendement en ATP)

◊ Elles ont un ADN spécifique capable de synthétiser des protéines

◊ Des ribosomes, des polymérases, des arnt, des synthétases propres

• Les synthèses font appel à un code atypique, lu par des arnt atypiques. Elles peuvent subir des mutations spécifiques de leur génome,

◊ Les mitochondries peuvent se diviser ◊ Lors de la division de la cellule, chaque cellule fille en reçoit

la moitié • Les mitochondries isolées peuvent synthétiser des protéines à partir d'amino-acides.

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• Le glucose est la principale source d'énergie dans les cellules non photosynthétiques ◊ La dégradation du glucose par combustion complète

abiotique fournit 688 Kcal/mole • Les produits terminaux de cette combustion sont le gaz carbonique et l'eau.

◊ La cellule récupère environ la moitié de l'énergie de dégradation du glucose sous forme d'ATP, l'autre moitié étant dissipée sous forme de chaleur ° La dégradation aérobie complète d'une molécule en C02

et H20 est couplée à la synthèse de pas moins de 32 molécules d’ATP

• La production est souvent moindre car une partie de l'énergie libérée est détournée de la production de chaleur, transport, ...

◊ Les stades initiaux du catabolisme du glucose s'opèrent dans le cytosol

•

◊ Les stades suivants, y compris la réaction avec l'oxygène, dans la mitochondrie

• On peut les voir au microscope photonique, mais les détails de leur structure n 'apparaissent qu'au microscope électronique • Chez l'eucaryote (humain), la zone de rendement maximum en ATP est localisée dans les mitochondries et dans une étape finale du métabolisme glucidique, « proche » de l'oxygène dans la chaîne métabolique, ce qui rend la survie cellulaire très dépendante de l'apport continu d'oxygène.il existe une très grande différence de temps de suivie des organes en anoxie, le cerveau étant de loin le plus sensible. Les autres tissus disposent d'une capacité notable de survie en anaérobiose.

• Les mitochondries comportent deux membranes bien différentes, une interne et une externe

• La plupart des essais biochimiques sur le métabolisme du glucose et la formation d'atp utilisent des « poisons de la glycolyse».

◊ La membrane externe contient les porines, des protéines qui la rendent perméables aux molécules de masse moléculaire allant jusqu'à 10,000

• Une propriété qu'on ne retrouve pas dans les autres membranes biologiques. Elle se compose d'à peu près autant de protéines que de lipides

◊ La membrane interne est beaucoup moins perméable ; elle est constitué à 80% de protéine

• ! ! ! Une teneur en protéines supérieure à celle de toutes les autres membranes cellulaires

° Elle porte un grand nombre d'invaginations, appelées crêtes, déployées à l'intérieur de la matrice, la cavité centrale

• La membrane interne des mitochondries présente une perméabilité três sélective, avec au moins six systèmes de transport spécifiques pour les métabolites suivants: • Phosphates et acides dicarboxyliques- succinates et malate- acides tricarboxyliques (citrate)- acides alpha- cétoniques (pyruvate)- glutamates et aspartates- acides gras (acyl-carnitines).

Bio. mol. de la cel. - Alberts B. 6 Bio. mol. de la cel. - Alberts B. 7

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◊ L'espace entre les deux membranes (réduit à l'état normal) porte le nom de chambre externe

•

° Une entrée d'eau et d'ions (gonflement mitochondrial) est l'un des phénomènes les plus courants en cytopathologie toxique

•

◊ La matrice et la membrane interne renferment les enzymes qui :

•

⇒ Catalysent l'oxydation finale des glucides et des lipides

⇒ Ainsi que la synthèse d’ATP à partir d’ADP et de phosphate inorganique

° C’est également dans la matrice que l’on retrouve l’ADN mitochondriale

•

• Gonflement mitochondrial •

◊ La synthèse d’ATP s'accompagnant d'un rejet d'eau (concentration exprimée en travail osmotique) considérable

•

° Une inhibition toxique quelconque de la glycolyse une anoxie provoquent la surcharge en eau (gonflement global)

• Physiologiquement, les mitochondries gonflent en présence de substrat glucidique, de phosphates et d'02. L'ADP est un facteur limitant.

◊ L'ion cyanure et l'oxyde de carbone bloquent le système des cytochromes en complexant l'atome de fer

• Les phénols et particulièrement les dérivés chlorés (antiseptiques, pesticides) Pentachlorophénol, 2-4 dinitrophénol très polaires et oxydants sont des inhibiteurs découplants classiques de l'oxydoréduction phosphorylante par blocage du passage des protons. • hypothèse d'une génotoxicité orientée vers les DNA et RNA mitochondriaux. • La physiologie mitochondriale qui fait intervenir des systèmes de transfert actifs à l'exclusion de toute diffusion passive peut expliquer aussi l'inefficacité de nombreuses substances oxydantes • détoxication par réaction mitochondriale Il s'agit d'une conjugaison connue pour l'acide benzoïque transformé en acide Hippuri que (benzoyl-glycine) par estérification avec la glycine. • ...avait une activité en corrélation négative avec l’âge. D'où une hypothèse sur le vieillissement, considéré comme une modification de l'activité propre des mitochondries et l'accumulation de mutations génétiques sur les mitochondries vieillies.

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Les lysosomes • Aucune partie de la cellule n'échappe à la destruction même dans les cellules qui poussent, où macromolécules et organites s'accroissent, les membranes, les protéines et autres constituants sont continuellement dégradés

• Les lysosomes, des organites de taille et de forme variées bordés de membranes et très fréquemment rencontrés dans les cellules animales

• (la cellule type en renferine des centaines),

◊ Elles renferment de très nombreuses enzymes dont certaines hydrolases très puissantes capables d'hy-drolyser aussi bien des acides nucléiques que des protéines, des glucides ou des lipides

• C'est-à-dire des enzymes qui dégradent les polymères en leurs éléments • Des nucléases qui tronçonnent les arn et adn en leur modules mononucléotidiques • Des phosphatases qui enlèvent les groupes phosphoryle aux mononucléotides et autres composés

◊ Les lysosomes sont impliqués dans le stockage et le catabolisme des matériaux inclus par endocytose et pinocytose, ainsi que dans le catabolisme de divers constituants cellulaires

• Des protéinases qui découpent une variété de protéines et de peptides, et des • Enzymes qui dégradent les polysaceharides et les lipides complexes en plus petites molécules • Le ph acide contribue à dénaturer les protéines • ces enzymes n’agissent à ph acide et sont peu au ph neutre des cellules Si le lysosome libère son contenu dans le cytosol, de ph situé entre 7,0 et 7,3, peu de dégradation des composants cytosoliques ne se produit.

• Les lysosomes dégradent beaucoup d'organites et de membranes qui ont perdu leur fonction ◊ Les lysosomes primaires :

° Plus ou moins sphériques et apparaissent dépourvus de débris particulaires ou membranaires

° Il représente une structure de stockage pour les enzymes nouvellement synthétisées, non actives



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•

◊ Les vacuoles digestives ° Contenant les matériaux incorporé par pinocytose en

contact avec les enzymes digestives •

◊ Les autophagosomes ° De forme irrégulière, et

renferment une fraction du cytoplasme et des membranes en cours de digestion (comportant souvent une mitochondrie)

•

◊ Les corps résiduels ° Caractérisé par la

présence de résidus non digérés d’aspects divers

• On ignore ce qui décide de la destruction et de l’envoi aux lysosomes des organites âgés et déficients, mais on trouve occasion-nellement, au sein d'un lysosome, des fragments de mitochondries ou d'autres membranes • La maladie de tay-sachs est due au déficit d'un enzyme lysosomial l'importance des lysosomes dans la dégradation de composants membranaires de la cellule est illustrée par l'existence de mutants déficients en certaines hydrolases lysosomales. La maladie de tay-sachs est une maladie congénitale récessive qui entraîne un retard mental, des désordres du système nerveux central et la mort vers la cinquième annee

• Autolyse ◊ Après anoxie, la nécrose tissulaire est marquée par une

élévation importante des activités des enzymes lytiques. ° L'anoxie partielle romprait la membrane lysosomique

• Les changements dans le lysosome sont évidents à un moment où il n'y a pas encore de modification de l'aspect des noyaux ou du cytoplasme.

° La cellule devient alors plus ou moins homogène et fragmentée

•

◊ Certains produits minéraux (silice cristalline, silice amorphe, fibrilles d'amiante, oxyde de béryllium) insensibles à l'action des enzymes ont une action fragilisante/destructrice sur la membrane lysosomale ° La rupture de cette membrane entraîne la mort de la

cellule phagocyte (macrophage le plus souvent) ° Ce phénomène se rencontre dans la silicose et

l'asbestose • lorsque la structure géométrique des particules permet la phagocytose et la mise en contact des particules et des organites endocellulaires. • La vitamine A, certaines hormones stéroides peuvent fragiliser les lysosomes.

◊ Certaines situations sans avoir une action destructrice sur la membrane lysosomaie, la fragilisent.


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° Les virus pathogènes et certaines intoxications (tétrachlorure de carbone) pour des doses inférieures à celles qui provoquent la cytolyse

◊ À l'inverse, certains produits comme les corticoides, renforcent la stabilité de la membrane lysosomale vis-à-vis des effets de ces mêmes agents

• D'où l'utilisation très générale de ces p'oduits au couts de nombreuses maladies inflammatoires et des réactions infiu'i'natoires succédont a une nécrose toxique ou a une réponse inanunitaire exagérée.

Les peroxysomes • Les peroxysomes forment une classe de petits organites limités par une membrane,

• Organites présents dans le cytoplasme de toutes les cellules animales et de beaucoup de cellules végétales

• Les glyoxysomes sont des organites de structure semblable, présents dans les graines qui se développent aux dépens de lipides comme source de carbone

• Ressemblent énormément aux lysosomes

• Qu'on les a longtemps pris pour des lysosomes, mais le fractionnement cellulaire a démontré que diff

◊ Contiennent des enzymes qui dégradent les acides gras et les acides aminés (renferment des oxydases et non des hydrolases comme les lysosomes)

◊ Contiennent également du peroxyde d'hydrogène (H2O2) ° Extrêmement corrosif

⇒ Il oxyde beaucoup de chaînes latérales d'acides aminés

• ((dont la méthionine)) ⇒ Cette réactivité du H2O2 est contrôlée par la présence,

dans les peroxysomes, d'une teneur élevée en catalase • Enzyme qui détruit le H2O2

• Les peroxysomes renferment souvent des amas de cristaux de molécules de catalase ◊ Présentent un aspect dense au microscope électronique

• La place des peroxysomes dans le métabolisme cellulaire reste assez mystérieuse, puisque beaucoup de réactions enzymatiques cataboliques s'effectuent couramment dans les autres organites sans donner lieu à une synthèse et à une destruction de h202 • La fonction des peroxysomes serait, selon certaine opinion, de produire de la chaleur au lieu d'atp, en catabolisant des molécules « énergétiques » comme les acides gras


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Les vacuoles

• La plupart des cellules de végétaux et de micro-organismes (levures) présentent au moins une vacuole interne limitée par une membrane


• Le nombre et la taille des vacuoles dépendent à la fois du type cellulaire et de son état de différenciation

•

◊ Une vacuole peut occuper jusqu'à 80 % du volume d'une cellule végétale mature

◊ Les cellules végétales emmagasinent dans leurs vacuoles ° De l'eau, les ions, certains

déchets et des nutriments comme le saccharose, des composés azotés (tels les acides aminés...)

• La concentration des matériaux dissous est de loin supérieure dans la vacuole à ce qu'elle est dans le cytosol ou dans les fluides extracellulaires

•

° L'eau traverse la membrane par flux osmotique ⇒ L’entrée d'eau dans la vacuole entraîne son

gonflement (turgescence) ⇒ Donc un accroissement de pression hydrostatique

dans la cellule • Cette pression est contrebalancée par la résistance mécanique de la paroi cellulosique qui entoure toute cellule végétale La plupart de celles-ci sont soumises à une pression de turgescence de 5 à 20 atmosphères (atm) il est nécessaire que leur paroi résiste d'une façon ajustable à cette pression


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• A la différence des cellules animales, les cellules végétales peuvent s'allonger très rapidement, de 20 à 75 um à l'heure Cette élongation qui va d'habitude de pair avec la croissance de la plante est due à l'extension de la paroi cellulaire légèrement élastique sous l'effet de la surpression engendrée par l'entrée d'eau dans la vacuole • Les vacuoles servent aussi de réservoirs de nutriments et semblent tenir également le rôle des lysosomes animaux • Grâce à la pompe à protons de leur membrane, les vacuoles maintiennent un ph acide elles contiennent un ensemble d'enzymes hydrolytiques Vacuole pulsatile protozoaire

Le chloroplaste

• Le chloroplaste est le siège de la photosynthèse •

• Les chloroplastes sont les organismes les plus volumineux et les plus caractéristiques des cellules végétales et des algues vertes

• Comme les mitochondries, elles n'ont pas de position fixe, mais se déplacent dans la cellule • Leur dimension peut atteindre 10 pm sur 0,5 à 2 pm, mais leur taille et leur forme sont très variables, particulièrement chez les algues

◊ Ils contiennent divers pigments, dont le principal est la chlorophylle qui capture la lumière et donne sa coloration verte au chloroplaste

•

◊ Le chloroplaste (comme la mitochondrie) est limité par deux membranes, une externe et une interne

•

◊ Il comporte un vaste système membranaire interne complexe : les vésicules thylacoides

⇒ Ce sont des vésicules aplaties en disques et interconnectées souvent groupées en piles

• Les vésicules thylacoides contiennent la chlorophylle et d'autres pigments et enzymes qui capturent la lumière et génèrent l’ATP pendant la photosynthèse

•

° Les thylacoides baignent dans un espace appelé stronia •

⇒ C'est là que s'opère la fixation de l'anhydride carbonique


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• C'est-à-dire la conversion du co2 en intermédiaires pour la synthèse des glucides • Comme les mitochondries, les chloroplastes contiennent de l’ADN, qui encode certaines protéines primordiales du chloroplaste • En parallèle avec la mitochondrie, la plupart des protéines du chloroplaste sont produites dans le cytosol, puis intégrées à i 'organite

La membrane plasmique • La membrane plasmique

• Bicouche phospholipidique •

• Fonction de barrière semi-perméable (délimitant le périmètre de la cellule)

•

◊ Permet de barrer l'accès aux matériaux indésirables du milieu extracellulaire

•

◊ Prévient la perte des métabolites et des ions

•

◊ Permet l’entrée des nutriments •

◊ Et maintient la pression osmotique correcte du cytoplasme

•

° perméable à certains gaz ⇒ ex : O2 , CO2 et à l'eau

• Comme celle de toute membrane biologique • (ces substances traversent librement par diffusion)

° mais pratiquement imperméable aux autres molécules du milieu ambiant

•

⇒ sucres, acides aminés,...

•

⇒ ions inorganiques • (K+ , Cl-, ...)

• La membrane plasmique présente des protéines membranaires appelées perméases ou transporteurs • Formant des tunnels par lesquels « certaines molécules » transitent entre la cellule et le milieu • • La membrane plasmique joue des rôles divers et fondamentaux



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• Un bonne partie de ce rôle est permis par la présence de ses transporteurs et perméases

• qui donnent accès à certaines molécules et pas à d'autres

•


◊ Les particules de taille variables accèdent également à la cellule animale par endocytose

◊ Le contenu des vésicules peut aussi être extrudé à travers la membrane plasmique par exocytose

Bio. mol. de la cel. - Alberts B. 15 • En fait, des plages de la membrane plasmique, avec leurs lipides et leurs protéines, sont soumises à un recyclage intens

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• Fonction de communication et de « contact » avec les autres cellules

•

◊ La plupart des cellules d'un organisme pluricellulaire présentent des zones qui s'adossent à celles d'autres cellules ° De façon à constituer les

tissus • La membrane plasmique porte aussi des points d'ancrage

° Et à permettre l'échange de métabolites entre les cellules

• Fonction de récepteurs •

◊ Reconnaître des signaux extracellulaires ° Telles les hormones

⇒ (substances sécrétées par un type cellulaire et agissant à distance sur un autre type)

° Ou bien des molécules à la surface de ses voisines

• Beaucoup d'hormones, dont l'insuline, se fixent à des récepteurs sur la cellule-cible les récepteurs protéiques reconnaissent l'hormone correspondante et « annoncent» au cytoplasme que l'hormone a atteint la cellule



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• Extensions membranaires à fonctions spécialisées •

◊ Cils et flagelles ⇒ Ce sont des prolongements mobiles de la membrane

plasmique des eucaryotes

• La surface des cellules animales et des micro-organismes eucaryotes porte souvent des prolongements et des appendices qui remplissent d'importantes fonctions particulières

⇒ Les cils et les flagelles sont les uns et les autres des structures mobiles en sorte de fouet, fixés aux membranes plasmiques des organismes unicellulaires et de nombreuses cellules

•

⇒ Le faisceau de filaments microtubulaires qui forme le centre des cils et des flagelles est constitué de microtubules semblables à ceux du fuseau mitotique

•

° Les cils battent dans un plan •

⇒ Des cils couvrent aussi la surface de beaucoup de cellules épithéliales, telles celles de la trachée, où ils font s'écouler le film liquide et les particules à la surface de l'épithélium qui borde les voies respiratoires

•

° Les flagelles, plus longs que les cils, sont parcourus d'un mouvement ondulatoire dans un plan ⇒ La motilité des spermatozoïdes

dépend entièrement du battement de son flagelle



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◊ Microvillosités •

° Elles se présentent comme un plissement de la membrane plasmique en une multitude de protubérances digitiformes microscopiques

•

⇒ Les microvillosités, accroissent considérablement la superficie membranaire

•

• L'absorption intestinale est favorisée par cet arrangement structural de l’apex cellulaire

•

• La membrane plasmique du plateau absorbant contient plusieurs enzymes qui catalysent la conversion du saccharose en glucose et fructose et hydrolysent les protéines en acides aminés

•

• Cette membrane contient aussi des perméases particulières qui lui permettent d'absorber ces nutriments venant de l'intestin


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Environnement extra-cellulaire

• Maints éléments cellulaires essentiels des eucaryotes se trouvent à l'extérieur de la cellule

•

◊ Divers polysaccharides et protéines fixés à la face externe des cellules animales

•

° Contribuent à former des contacts et des jonctions particulières entre les cellules

•

⇒ Assurant ainsi la résistance et la rigidité des ensem-bles pluricellulaires

•

◊ Le tissu conjonctif lâche forme la trame supportant les cellules glandulaires ou de recouvrement

•

° Ce tissu est en majeure partie constitué d’ « espaces intercellulaires »

•

⇒ Composé de fibres de diamètres variés •

° C'est par ce tissu conjonctif lâche que sont soutenus les capillaires sanguins qui amènent l'oxygène et les nutriments aux cellules de tout l'organisme

• Une des fonctions premières de la matrice extracellulaire du tissu conjonctif est de permettre aux nutriments de diffuser jusqu'aux cellules des glandes et des épithélia~

° C’est le collagène qui représente ici la protéine dominante au sein du règne animal

•

⇒ Une des caractéristiques du collagène est qu'il forme des fibres insolubles, de haute resistance à la traction

•

• Les collagènes sont sécrétés par de nombreuses cellules, dont les fibroblastes, principales cellules du tissu conjonctif

• La membrane plasmique des cellules végétales participe activement à la formation des parois cellulaires à mesure qu'une cellule devient mature, de nouvelles lamelles de paroi sont juxtaposées au contact de la membrane plasmique • Les parois sont surtout constituées de (~elliilose, un polysaccharide rubané formé de monomères de glucose reliés • Par des liaisons la cellulose des parois végétales est agrégée en faisceaux fibrillaires par des liaisons hydrogène d'autres polysaccharides parcourant la paroi réticulent les fibres de cellulose. La résistance à la traction et la rigidité des plantes ligneuses est due à un composé différent, la lignine (polymère complexe insoluble fait de phénol et d'autres monomères aromatiques) dans la paroi de végétaux de type divers, on rencontre d'autres composés, notamment des cires qui préviennent la dessication des tissus et des protéines végétales

Documents

Procaryotes, Eucaryotes et Organites cellulaires€¢ Forme la limite propre de la cellule procaryote • Chez certaines bactéries, la membrane plasmique porte des replis internes,