Les constituants de la cellule eucaryote animale

Les constituants de la cellule eucaryote animale et leurs rôles

Diversité des cellules • Organisme humain: 200 types de cellules Diverses formes, tailles, et fonctions

Modèle général de la cellule • 3 régions principales: – Membrane plasmique – Cytoplasme – noyau

Modèle général de la cellule • Noyau Centre de contrôle de la cellule • Cytoplasme Lieu de la plupart des activités cellulaires • Membrane plasmique (cytoplasmique) Contrôle le passage des substances vers la cellule et en dehors de la cellule

Modèle général de la cellule Membrane nucléaire Appareil de Golgi Nucléole Membrane cellulaire (membrane plasmique) Lysosome Microtubule Noyau Réticulum endoplasmique lisse Réticulum endoplasmique rugueux Cytoplasme (cytosol) Mitochondrie Centrosome Ribosome Vacuole

Structure du noyau d'une cellule animale • Le plus gros des organites: délimité par l’enveloppe nucléaire; contient le nucléoplasme, les nucléoles et la chromatine. • Enveloppe nucléaire: formée d’une double membrane; percée de pores. La membrane externe prolonge le réticulum endoplasmique. • Nucléoles: corps sphériques denses, non entourés d’une membrane, constitués d’ARN ribosomal et de protéines. • Chromatine: matériau granulaire filamenteux composé d’ADN et d’histones (protéines).

Nucléole

Fonctions du noyau d'une cellule animale • Centre de régulation de la cellule; transmet l’information génétique et donne les instructions pour la synthèse des protéines • Enveloppe nucléaire: isole le nucléoplasme du cytoplasme et régit le passage des substances vers l’intérieur et vers l’extérieur du noyau • Nucléoles: siège de fabrication des sous-unités ribosomales • Chromatine: les gènes sont formés d’ADN

La chromatine et les chromosomes • La chromatine (entre les périodes de division) permet les activités habituelles de la cellule car son ADN est accessible (elle est peu condensée). Elle peut facilement être recopiée en ARN (si la cellule a besoin de protéines). Elle peut facilement être recopiée en ADN (si la cellule se prépare à la prochaine division). • Les chromosomes (lors de la division) permettent de distribuer facilement 2 lots égaux de matériel génétique dans 2 cellules filles (ils sont fortement condensés). • Il est plus facile de séparer également des petits bâtonnets génétiques que des grands filaments tous entremêlés.

Information génétique • Molécules – ADN ou acide désoxyribonucléique – ARN ou acide ribonucléique – Protéines • Mécanismes: – Transcription – traduction

Le cytoplasme • Région de la cellule située entre l’enveloppe nucléaire et la membrane plasmique: formé du cytosol, un liquide qui contient des substances en solution, des inclusions (réserves de nutriments, produits de sécrétion, granules pigmentaires) et des organites, qui constituent l’appareil métabolique du cytoplasme. • Organites cytoplasmiques: Mitochondries; Ribosomes; Réticulum endoplasmique rugueux; Réticulum endoplasmique lisse; complexe golgien; lysosomes; peroxysomes; microtubules; microfilaments; filaments intermédiaires; centrioles.

Les centrioles du cytosquelette • • 2 centrioles Situés au cœur du centrosome des cellules animales Formés chacun de 9 triplets de microtubules Rôles: – Se dupliquer avant la division cellulaire puis élaborer les asters durant la division cellulaire – Être à l'origine des cils et du flagelle d'une cellule

Le cytosquelette de la cellule • • Organite non membraneux Constitué d'un réseau de différentes fibres dans le cytoplasme: – Microtubules: structures cylindriques constituées par assemblage de sousunités d’une protéine appelée tubuline – Microfilaments: fins filaments formés d’une protéine contractile, l’actine – Filaments intermédiaires: fibres protéiques dont la composition est variable • Rôles: – Support mécanique de la cellule et maintien de sa forme. – Maintien en place des organites et de certains ensembles enzymatiques. – Changement de forme cellulaire. – Déplacement des organites.

Les microtubules du cytosquelette • • • Tubes creux de 25 nm de diamètre et mesurant jusqu'à 25 m de long Formés de nombreuses molécules de tubuline S'allongent et se rétractent, au besoin, par ajout ou retrait de tubuline Situés dans le cytoplasme mais aussi rayonnent du centrosome, un organite cellulaire Rôles: – Servent de poutre dans la charpente cellulaire. – Maintiennent la forme cellulaire grâce à des faisceaux de microtubules placés près de la membrane plasmique. – Servir de rails sur lesquels les organites peuvent se déplacer.

Le centrosome du cytosquelette • • Masse dense de microtubules située près du noyau Situé dans les cellules animales et végétales Contient 2 centrioles en son centre dans la cellule animale (pas dans la cellule végétale) Rôles: – Centre organisateur des microtubules – Se dupliquer avant la division cellulaire puis élaborer le fuseau de division au début de la division

Exemple • Centrosome d'un fibroblaste (une cellule du tissu conjonctif) • Un colorant fluorescent révèle les microtubules en vert qui rayonnent du centrosome situé juste à côté du noyau

Division cellulaire • Les 2 centrioles se dupliquent avant la division cellulaire : ceci forme 4 centrioles. • Durant la division cellulaire les 4 centrioles se séparent : 2 vont vers un pôle (en même temps que le centrosome qui les contient) et 2 vont vers l'autre pôle (en même temps que l'autre centrosome). • Chaque paire de centrioles élabore un aster : un réseau de fibres de microtubules rayonnants, l'aster.

Les cils et le flagelle du cytosquelette • • • Situés à la surface des cellules Sont recouverts de la membrane plasmique Ancrés à la cellule par un corpuscule basal (analogue à un centriole) Formés de neuf doublets de microtubules plus, deux au centre Formule : 9 + 2 Capables de déplacement grâce à la protéine motrice dynéine associée aux microtubules Les cils sont courts et nombreux. Le flagelle est long et unique. Rôle: Propulsion de la cellule Déplacement du milieu qui entoure la cellule

La membrane plasmique • Membrane formée d’une double couche de lipides dans laquelle sont enchassées des protéines: les protéines peuvent traverser toute l’épaisseur de la bicouche lipidique ou ne dépasser que d’un côté de celle-ci. Des groupements sucre sont attachés aux protéines et à certains lipides qui font face à l’extérieur de la cellule; simple et non percée de pores (contrairement à la membrane nucléaire) • Délimite la cellule de son environnement • intervient dans le transport des substances vers l’intérieur et l’extérieur de la cellule • entretient un potentiel de repos qui est essentiel au fonctionnement des cellules excitables • les protéines qui font face à l’extérieur de la cellule sont des récepteurs et interviennent dans la reconnaissance des cellules entre elles, ce qui permet aux cellules de s’aggréger en tissus (grâce aux sucres de surface)

La membrane plasmique

Composition chimique • Lipides Phospholipides Cholestérol (15% à 50% des lipides) • Protéines • Glucides

Perméabilité sélective La double couche de lipides est perméable: Aux molécules très petites (H 2 O, CO 2, O 2) Aux molécules liposolubles (hydrophobes, non polaires) La double couche de lipides est imperméable: Aux grosses molécules et à la plupart des molécules solubles dans l’eau. Aux ions (K+, Cl-, Na+ )

Des protéines de la membrane permettent le passage de ce qui ne peut passer à travers les lipides : • Forment des canaux à travers la membrane OU • s’associent aux molécules à transporter et les déplacent dans la membrane

Ces canaux sont généralement spécifiques : une seule substance bien précise peut les traverser et aucune autre. Donc, ce n'est pas n'importe quelle substance qui peut traverser la membrane = perméabilité sélective.

Certains canaux peuvent s'ouvrir et se fermer

Transporteurs de membrane • Peuvent se faire et se défaire rapidement • Certains peuvent se fermer et s’ouvrir ==> changement de perméabilité de la membrane • Sont souvent très sélectifs

Exemple de protéine de transport Canal fermé Canal ouvert

Diffusion facilitée La diffusion se fait par l ’intermédiaire d ’une protéine de la membrane. Pas de dépense d ’énergie Se fait selon le gradient de concentration

Transport actif

Transport actif

Le ribosome • • • Organite non membraneux formé de 2 sous-unités Chaque sous-unité : ARN ribosomique et protéines Assemblé par le nucléole 2 populations de ribosomes – libre dans le cytoplasme – liée aux membranes du REG Rôle: Synthétiser la structure primaire des protéines (la chaîne d'acides aminés)

Le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi

Le réticulum endoplasmique rigueux • Réseau tortueux de membranes formant des cavités, les citernes; couvert de ribosomes sur sa face externe. • Dans les citernes, des groupements sucre sont liés aux protéines; les protéines sont enfermées dans des vésicules qui les transportent vers le complexe golgien et d’autres sites: la face externe synthétise les phospholipides et le cholestérol.

Le réticulum endoplasmique lisse • Réseau de sacs et de tubules membraneux; ne comporte aucun ribosome. • Siège de la synthèse des lipides et des stéroïdes, du métabolisme des lipides et de la neutralisation des drogues et des médicaments.

Le complexe golgien • Pile de sacs membraneux lisses et de vésicules, située près du noyau. • Emballe, modifie et isole des protéines qui doivent être sécrétées par la cellule, incluses dans les lysosomes ou intégrées à la membrane plasmique.

La mitochondrie

La mitochondrie • Organite en forme de haricot, entouré de deux membranes; la membrane interne forme des projections appelées crêtes. • Constitue la source d’énergie de la cellule: produisent la plus grande partie de l’énergie sous forme d’ATP (adénosine triphosphate). • Sont plus nombreuses où l’activité est intense (reins, foie…). • Où a lieu la respiration cellulaire, c’est-à-dire l’oxydation des hydrates de carbone (glucides) et des lipides avec comsommation d’oxygène.

L’organisme a des besoins pour fonctionner Solaire Besoins d’énergie Contenue dans les aliments Cette énergie est donc stockée dans des molécules organiques (glucides) Comment l’organisme récupère-t-il l’énergie stockée dans les molécules organiques ?

Production d'énergie par respiration Matière organique + O 2 Matière inorganique + H 2 O + Énergie 1 glucose + 6 O 2 6 CO 2 + 6 H 2 O + Énergie

ATP ou adénosine triphosphate • L'ATP est un nucléoside triphosphate • L'ATP est fabriqué en de multiples exemplaires par les mitochondries. • Rôle de l'ATP: – Source d'énergie pour la plupart des réactions cellulaires qui l'exigent.

Grandes étapes Glycolyse – 1 glucose=2 acide pyruvique +2 ATP +2 NADH – Dans le cytosol – Les deux molécules de pyruvate contiennent encore la plupart de l’énergie Pyruvate entre dans mitochondries – Acide pyruvique tranformé en Acétyl Co. A (réaction de transition à la membrane externe de la mitochondrie) (produit NADH x 2) Cycle de Krebs (acide citrique) dans la matrice – Donne (CO 2 +3 NADH+FADH 2+ATP) x 2 Phosphorylation oxidative

La glycolyse est la dégradation d’une molécule de glucose (6 carbones) en 2 molécules d’acide pyruvique (3 carbones) et 2 molécules d’ATP. Ces réactions se déroulent dans le cytosol en conditions anaérobies.

La glycolyse Glucose Sang GLUT Hexokinase (HK) / Glucokinase (GK) Glucose-6 -P-isomérase (G 6 P) P-fructo-kinase (PFK) Glucose Cytoplasme Glucose-6 -P Fructose-1, 6 -bi. P 2 ATP 2 NADH, H+ Pyruvate-kinase (PK) Pyruvate

Électrons transportés par 2 NADH Électrons transportés par 6 NADH et 2 FADH 2 Cytosol Glycolyse 2 Pyruvate Glucose ATP +2 2 Acétyl Co. A ATP +0 (-2) Cycle de Krebs Chaîne de transport des électrons ATP +2 +34

Réaction de transition En conditions aérobies, le pyruvate est transformé en acétyl Co. A en pénétrant dans la mitochondrie O pyruvate déhydrogénase O || CH 3 -C-COO- + Co. A-SH CH 3 -C-S-Co. A + CO 2 NAD+ NADH

Cycle de l’acide citrique (Krebs) Série de réactions qui démantèlent l’acétyl Co. A Les électrons et les atomes d’hydrogène sont envoyés à la chaîne respiratoire et éventuellement combinés pour produire H 2 O

Le cycle de Krebs acetyl Co. A citrate oxaloacétate cis-aconitate malate fumarate isocitrate -ketoglutarate succincyl Co. A

Transfert d’énergie acétyl Co. A citrate oxaloacétate H 2 O cis-aconitate H 2 O NADH malate isocitrate CO 2 + H 2 O NADH fumarate FADH 2 succinate ATP + Coenzyme A -ketoglutarate succincyl Co. A Ad. P Coenzyme A CO 2 + NADH

Phosphorylation oxidative Membrane interne Espace intermembranaire Membrane externe Cristae Matrice Membrane interne de la mitochondrie Produit 34 ATP par molécule de glucose

NADH transfère ses électrons à plusieurs intermédiaires et finalement à l’oxygène Cyanure, monoxyde de carbone et roténones bloquent ce transfert Énergie libre par rapport à O 2 (kcal par mole) Chaîne de transport des électrons Cyanure

Chaîne de transport des électrons

Synthèse d’ATP Intermédiaires pompent des ions H+ vers l’espace intermembranaire, créant un gradient Retour par des pores permet à l’ATP synthase de récolter cette énergie potentielle et de former de l’ATP (chimiosmose)

Rendement en ATP Nettement meilleur en présence d’oxygène 1 mole de glucose=686 Kcal d’énergie 1 mole d’ATP=7. 3 Kcal d’énergie

Et si il n’y a pas d’oxygène? 2 ADP + 2 Pi 2 ATP Mort pour la plupart des animaux Mais pour certains la Glucose Glycolyse respiration anaérobique permet d’obtenir de l’énergie 2 NAD+ 2 NADH 2 Acide +2 H+ Fermentation lactique: pyruvique conversion de l’acide pyruvique en acide lactique (consomme 2 NADH: résultat 2 Acide lactique net=2 ATP)

Autres sources d’énergie Protéines Polysaccharides Lipides Acides aminés Sucres simples Acides gras Glycolyse Pyruvate ATP Acétyl Co. A Cycle de l’acide citrique Phosphorylation oxydative ATP

Protéines Polysaccharides ADP + Pi ATP Acides aminés Lipides ADP + Pi ATP Hexoses Pentoses ADP + Pi ATP Acides gras ADP + Pi ATP Pyruvate Urée Cycle de L’urée CO 2 ADP + Pi Acétyl-Co. A ATP Cycle de l’acide citrique e- O 2 Chaîne de transport des électrons Phosphorylation oxydative ATP

Catabolisme des acides aminés Pyruvate Alanine, cystéine, glycine, sérine, threonine, trypotophane Leucine, tryptophane, isoleucine Acétyl Co. A Arginine, glutamate, gluamine, histidine, proline Oxaloacetate Asparagine, aspartate Cycle de Krebs ∂-Ketoglutarate Phénylalinine, tyrosine Isoleucine, methionine, valine Fumarate Succinate

Les lysosomes • Sacs membraneux contenant des hydrolases acides; « corps de désintégration » . • Siège de la digestion intracellulaire. • Sont gros et abondants dans les phagocytes, ces cellules qui débarassent l’organisme des bactéries et des débris cellulaires.

Les peroxysomes • Sacs membraneux contenant de puissantes enzymes (oxydases et catalase). • Les enzymes neutralisent certaines substances toxiques: l’enzyme la plus importante, la catalase, dégrade le peroxyde d’hydrogène.

Division cellulaire • La division cellulaire permet aux cellules de se multiplier. A chaque division, elle doit transmettre son information génétique, c’est-àdire son ADN. • La division cellulaire nécessite donc la reproduction d’une molécule strictement identique à la molécule mère: c’est la réplication. • Après cette reproduction, il faut séparer les deux molécules d’ADN afin que l’ADN soit réparti de façon équitable et identique entre les deux cellules filles: c’est la mitose.

Cycle cellulaire • Une cellule qui se divise passe par quatre phases successives: – Phase G 1 – Phase S – Phase G 2 – Mitose: prophase; métaphase; anaphase; télophase – Phase G 0

Cycle cellulaire

Phase mitose • Pendant l’interphase, l’ADN est sous forme peu condensée: la chromatine. Afin que l’ADN puisse être réparti de façon égale entre les deux cellules filles, celui-ci doit être condensé. La condensation maximale de l’ADN forme les chromosomes. • Chaque chromosome est formé de deux chromatides reliées entre elles par le centromère. • Lors de la mitose, les deux chromatides du même chromosome vont se séparer pour se répartir dans les deux cellules filles.

Les étapes de la mitose • La prophase: les chromosomes apparaissent et les centrioles se répliquent. • La métaphase: l’enveloppe nucléaire disparaît: les chromosomes se placent au centre de la cellule, à égale distance des deux centrioles, pour former la plaque équatoriale. • L’anaphase: les deux chromatides identiques de chaque chromosome se séparent et migrent vers les deux pôles opposés de la cellule. • La télophase: les chromosomes se décondensent. L’enveloppe nucléaire se reforme et la membrane plasmique se replie pour séparer les cellules filles. • Les deux cellules filles entrent alors en phase G 1.

Prophase Métaphase Anaphase Télophase

Mort cellulaire • 2 types: – La mort cellulaire « physiologique » encore appelée mort cellulaire programmée ou « apoptose » . – Le mort cellulaire « non physiologique » ou « nécrose » .

Apoptose • Mort cellulaire naturelle ou physiologique. • Processus: transforme les cellules afin qu’elles soient éliminées de l’organisme sans laisser de cicatrice; l’équilibre entre les cellules qui meurent et celles qui se divisent permet à un individu de survivre. • Nombreux processus physiologiques tel que l’embryogénèse ou la régulation du système immunitaire.

Nécrose • Une mort cellulaire qui survient lorsque la cellule est confrontée à des situations non physiologiques extrêmes.