Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote D

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Structures/Ultrastructures de la
Cellule Eucaryote
5-ième Générale / Transition Sciences de Base (3P/Sem.) Biologie FWB
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M = Non distribué (mais accessible via ppt et/ou pdf sur www.NGYX.eu section AESS)
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
Introduction (1/2)
La microscopie optique a révélé l’existence de 2 niveaux très différents d’organisation cellulaire.
Certaines cellules mènent une vie totalement indépendante, ce sont des êtres unicellulaires. D'autres
au contraire vivent en communauté, elles appartiennent à des êtres pluricellulaires constitués de
cellules identiques ou a l'inverse, extrêmement diversifiées mais apparentées par leur patrimoine
génétique.
Sur ces bases les cellules ont été classées en deux types correspondant à deux schémas différents de
leur organisation :
• Un schéma simple, primitif, représentatif des premiers organismes vivants : Ce sont les
procaryotes : êtres unicellulaires, comprenant toutes les bactéries et les formes voisines (exemple:
algues bleues).
• Un schéma plus complexe: celui des eucaryotes représentatif de tous les autres organismes
vivants apparus progressivement depuis 1.5 109 ans. Les cellules eucaryotes se différencient des
cellules procaryotes notamment/principalement par un noyau limité par une enveloppe qui
contient leur patrimoine génétique.
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
Introduction (2/2)
Comme le montre le tableau 1 ci-contre reprenant l’évolution au fil du temps des systèmes de classification, l’évolution de la
classification est largement liée aux développements des méthodes d’observation et technologies applicables dans le domaine
scientifique (notamment Biologie Moléculaire; exemple séquençage de l’ADN – arbres génétiques / cytologiques):
• Ce que nous étudierons: Les structures
ultrastructures des Cellules Eucaryotes.
ET plus particulièrement les cellules
Végétales et Animales.
• Par contre nous n’étudierons pas/peu:
les structures/ultrastructures des êtres
Procaryotes (unicellulaires) ou certains
types
de
cellules
eucaryotes
(champignons)
Pourquoi? C’est un choix. On explique le
plus complexe évolutivement et ensuite
on donne les simplifications / différences
chez les organismes moins complexes.
A noter: On désigne de façon arbitraire
par structure ce que l'on observe au
microscope
photonique,
et
par
ultrastructure ce que l'on observe au
microscope électronique.
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
La Cellule Eucaryote (animale)
La taille de la cellule animale est d'environ 5-20 μm (plus pour les ovocytes: œuf de poule…). Elle comprend:
1. La Membrane cytoplasmique
2. Le Cytosol (cytoplasme)
1
3a. Le Noyau
9a
3b. Le Nucléole
4a. Le Réticulum Endoplasmique Rugueux
3a
4b. Le Réticulum Endoplasmique Lisse
5. Les Ribosomes
6. L’ appareil de Golgi
7. Les Mitochondries
3b
9b
11
4b
4a
8. Microfilaments
9a. Les Microtubules
2
8
5
9b. Les Centrioles (Centrosome)
10. Vésicule de Sécrétion
11. Lysosome
7
Vésicule de
10
Sécrétion
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
La Cellule Eucaryote (végétale)
La taille d'une cellule végétale est de 10-100 micromètres. Elle comprend les mêmes ultrastructures que la cellule animale:
1. La Membrane Cytoplasmique
13
2. Le Cytosol (cytoplasme)
3a. Le Noyau
3b. Le Nucléole
2
3a
4a. Le Réticulum Endoplasmique Rugueux
3b
7
8a
4b. Le Réticulum Endoplasmique Lisse
6
5. Les Ribosomes
6. L’ appareil de Golgi
14
7. Les Mitochondries
12a
8a. Les Microtubules
1
5
8b. Les Centrioles (Centrosome)
12b
9. Microfilaments (cytosquelette)
4a
4b
10. Vésicule de Sécrétion
11. Lysosome
12a. Paroi Extracellulaire
Et en plus
12b. Les Plasmodesmes
13. Les plastes (chloroplastes)
14. Vacuole
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
1. La Membrane cytoplasmique (cyto = cellule, plasma = matière vivante)
La membrane cellulaire est une frontière, un lieu d'échange entre les milieux intra- et extra- cellulaires. Au microscope
électronique (x 120,000) on distingue une structure en 2 couches noires de 2.0 nm séparées par une bande claire d’une
épaisseur de 3.5 nm.
La structure de base de la membrane est une bi-couche de (phospho)lipides relativement fluide qui présente la propriété
remarquable de pouvoir se refermer ou à l’inverse de fusionner spontanément (comme les bulles de savon). Cette propriété
est particulièrement adaptée au transport de grosses molécules (notamment phénomènes d’ endo et exo-cytose).
Des protéines et glycoprotéines intramembranaires (ex: transporteurs d’ions) ou périphériques (ex: récepteurs de signaux
chimiques) complètent avec la présence de glucides (ex: reconnaissance cellulaire) accrochés à cette structure et de
cholestérol inclus dans cette structure ce schéma / modèle simplifié de la membrane plasmique.
Glucides
Protéine
périphérique
Glycoprotéines
Cholestérol
Membranes de deux cellules voisines (en haut et en bas de l'image).
http://cell.sio2.be/membrane/8.php
2. Le Cytosol (contenu du cytoplasme)
Protéines intramembranaires
Phospholipides
C’est la masse de substance fluide (hyaloplasme) comprise à l’intérieur de la membrane cytoplasmique à l’exclusion du
noyau. Elle est très riche en eau et substances dissoutes (sels minéraux, protides, glucides) ou insolubles dans l’eau (les
inclusions cytoplasmiques; ex. glycogène, cristaux protéiques). Dans le hyaloplasme baignent différentes structures appelées
organites. A Noter: les membranes entourant ces organites ont la même composition de base que la membrane
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cytoplasmique.
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
4a. Le Réticulum Endoplasmique Rugueux (RER)
http://www.ebiologie.fr/cours/s/20/le-reticulum-endoplasmique
On l'appelle aussi réticulum endoplasmique granuleux. Le RER est un
système de cavités plus ou moins dilatées et de canalicules qui
communiquent entre elles, portant des ribosomes attachés sur leurs faces
externes représentant 20 à 60 % de la surface des membranes (dépend du
type cellulaire). Il est plus abondant dans les cellules de sécrétion protéique
importante. Il est en continuité avec l'enveloppe nucléaire et avec le
réticulum endoplasmique LISSE (REL). Rôle: Synthèse et redirection des
protéines membranaires et des protéines sécrétoires ayant des signaux de
tri (peptide signal).
REL
Pores Nucléaires
Membrane
Nucléaire
Lumière
RER
RER
Ribosomes
4b. Le Réticulum Endoplasmique Lisse (REL)
Rôle majeur du REL : synthèse des phospholipides à partir de précurseurs
hydrosolubles. Sert à l'expansion des membranes de la cellule (inclus les
réactions qui incorporent les lipides dans la membrane).
5. Les Ribosomes
Ribosome
ARNm
Ce sont des complexes formés de deux sous-unités, une petite et une
grande (40 et 60S). Elles vont s’assembler (80S). Pour les former il faut
de l’ARNr qui provient de gènes ribosomiques.
Large Unit
Ribosome = 4 ARNr + 80 protéines ribosomiques
Ils sont synthétisés et assemblés dans le
noyau, dans le nucléole. Le rôle des ribosomes
est de fabriquer les protéines au départ de
information génétique (protéine = enchainement
d’acides aminés dans un ordre précis)
Small Unit
Polypeptide
100 nm
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
6. L’ appareil de Golgi
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Organite (système) regroupant l'ensemble des dictyosomes (formations constituées de saccules ou citernes empilées les unes sur les
autres; lieu de passage obligatoire des protéines synthétisées dans le RER). Il intervient dans:
1. Transfert des protéines du RER vers les vésicules de sécrétion.
2. Maturation des protéines (par modification des chaînes oligosaccharidiques).
3. La synthèse et modification des glycolipides et protéoglycannes.
4. L'expédition des produits sécrétés:
 Tri des molécules synthétisées
 Emballage des produits synthétisé dans des vésicules de sécrétion
 ciblage des molécules synthétisées par marquage de protéines de la membrane des vésicules pour qu'elles atteignent leur
destination finale (noyau.....)
5. Activation de certaines protéines.
En Résumé: Les protéines traversent le golgi en 30 minutes cis -> trans en subissant au passage des modifications diverses avant
leur expédition.
10. Vésicule de Sécrétion & 11. Lysosome
http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch06/Golgi.html
Toutes 2 sont en fait des vésicules Golgiennes mais
remplissent des rôles très différents.
Les vésicules de sécrétion gagnent la membrane
cytoplasmique et par exocytose expulsent leur contenu
hors de la cellule (ex: enzymes pancréatiques:
insuline/glucagon)
Les Lysosomes primaires (1 μm) contiennent des
enzymes de divers types mais principalement capables
de décomposer des macromolécules. Elles fusionnent
avec des vésicules formées par endocytose (portent
alors le nom de Lysosomes secondaires) où a lieu la
digestion.
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
7. Les Mitochondries
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Les mitochondries sont les organites les plus anciennement connus et l'ensemble des mitochondries (> 1000 dans
certaines cellules du foie par exemple) constitue le chondriome.
Elles ont une grande taille de 1-2 à 10 μm de long et de 0,5 à 1 μm de large et sont délimitées par 2 membranes d'une
bicouche lipidique et de protéines: externe (relativement plane et lisse) et interne (fortement plissée et formant des
crêtes). Entre les deux existe un espace intermembranaire (ou chambre externe) de 6 à 8 nm d'épaisseur. L'espace
circonscrit par la membrane interne constitue l'espace matriciel (ou chambre interne) renfermant la matrice. Il est semicompartimenté par des invaginations de la membrane interne.
Les mitochondries sont impliquées dans les conversions énergétiques résultant de la respiration cellulaire. Au cours de ce
phénomène, l'énergie libérée par l'oxydation des substrats organiques est mise en réserve sous forme d'un composé à
potentiel énergétique élevé, l'ATP (cycle de KREBS…Bon amusement…)
Les usines à énergie que sont les mitochondries sont donc en nombre proportionnel à la consommation énergétique de la
cellule et même situées dans la zone la plus active de la cellule. On en trouve en quantité élevée dans les cellules à forte
demande énergétique comme les cellules musculaires ou le flagelle d'un spermatozoïde. A l'inverse, on en trouve en
nombre restreint dans les cellules végétales (certaines algues n'ont qu'une mitochondrie).
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
Cytosquelette : 8. Les Microfilaments 9a. Microtubules
9b. Les Centrioles (Centrosome)
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Le cytosquelette est constitué de polymères de protéines (« fibres ou filaments ») . On les classe en trois catégories :
 Les fins filaments d'actine (ø : 7nm) ou microfilaments (les plus nombreux a l'intérieur de la cellule)
 Les filaments intermédiaires (ø : 10 nm)
 Microtubules (ø : 25 nm)
Cette charpente va interagir avec les autres composants de la cellule, comme la membrane plasmique mais aussi les
organites (y compris la structure du noyau). Ce cytosquelette confère la FORME de la cellule, sa MOBILITE, et son
ORGANISATION INTERNE (une répartition particulière de certaines structures).
Parmi ces structures particulières le centrosome formé d’une paire de centrioles disposés perpendiculairement et d’un
Aster joue un rôle essentiel lors de la division cellulaire car il permet une répartition équitable des substances du noyau
entre les 2 cellules filles en formation.
Chaque centriole souvent représenté
comme un cylindre de 0.15 μm de
diamètre et de 0.4 μm de long, est
formé de 9 groupes de 3
microtubules associés (triplets).
L’Aster désigne un ensemble de
filaments rayonnant autour des
centrioles visible uniquement lors de
la division cellulaire.
http://www.ebiologie.fr/cours/s/16/le-cytosquelette
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
La Cellule Eucaryote (végétale)
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Les cellules végétales possèdent toutes les caractéristiques énoncées pour les cellules animales mais en outre:
12a. Paroi Extracellulaire 12b. Les Plasmodesmes
Les cellules végétales possèdent à l’extérieur de la
membrane cytoplasmique une paroi pecto-cellulosique
très rigide et composée de fibres de cellulose (=
charpente) enrobées dans un ciment constitué de
protéines et de pectine (= polysaccharide spécial). Elle est
percée d’orifices, les plasmodesmes mettant en
communication 2 cellules contiguës. Cette paroi contribue
à la rigidité des végétaux.
http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/protoplastes/3-protoplaste-paroi.htm
14. Vacuoles
Les cellules végétales développent de grosses poches
contenant des solutions aqueuses: les vacuoles. Au cours du
vieillissement de la cellule elles finissent par occuper la
quasi-totalité du volume cytoplasmique repoussant noyaux
et organites vers la membrane cytoplasmique.
Ces vacuoles permettent une croissance économique de la
cellule et contribuent à la rigidité du tissu.
Elles peuvent servir au stockage de substances de réserve
(exemple: saccharose de la betterave sucrière, huiles et
protides dans les graines) ou de colorants comme les
anthocyanes (rouge/bleu; chez le chou rouge, la cerise, la
myrtille,…)
Paroi Cellulaire
Noyau
Vacuole
Chloroplastes
www.lifesci.sussex.ac.uk
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Structure(s)/Ultrastructure(s) de la Cellule Eucaryote
La Cellule Eucaryote Végétale
13. Plastes.
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www.snv.jussieu.fr
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Les plastes sont des espaces délimités par une double membrane qui remplissent des fonctions bien définies. On distingue 3
types de plastes sur base de leurs fonctions:
A. Les amyloplastes. Incolores (sauf si l’on utilise un produit contrastant en MET) ils sont riches en amidon et sont présents dans
diverses cellules de fruits (exemple banane), de graines (céréales) et de tubercules (p.d.t.) Ce sont généralement des réserves de
source d’énergie. Voir Figure A. Cellule végétale méristématique au MET (contrastant acétate d'Uranyle); amyloplastes apparaissent en blanc
B. Les chromoplastes. Ces organites sont riches en pigments non chlorophylliens, comme les xanthophylles, les carotènes, etc. Le
changement de couleur lors du mûrissement des fruits de tomates et de poivrons résulte d'une transformation des chloroplastes
en chromoplastes dans les cellules du péricarpe du fruit. Les chromoplastes n'ont apparemment aucun rôle métabolique. On
parle de coévolution entre la plante et l'insecte: la couleur de la plante (due aux chromoplastes) attire l'insecte qui se nourrit de
nectar le plus souvent, et en retour l’insecte pollinise la plante. Voir Figure B.
C. Les chloroplastes. Verts car ils contiennent la chlorophylle ils sont présents dans les cellules de feuilles ( +/- 100 par cellule).
Sacs allongés de 5 μm ils présentent une structure interne formée de lamelles: les thylakoïdes qui portent la chlorophylle. Ceux-ci
s’empilent pour former des grana et tout le système lamellaire baigne dans une matrice appelée stroma. C’est au niveau des
thylakoïdes que s’effectue la photosynthèse qui récupère le carbone du CO2 pour fabriquer au final diverses molécules
polycarbonées tout en relâchant le dioxygène O2 nécessaire à la respiration et donc à la survie des organismes vivants. Voir
Figures C1 et C2.
Amyloplastes
Thylakoïdes
Chloroplastes
Chromoplastes
Figure A.
Figure B.
Grana
Figure C1.
Figure C2.
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Structures/Ultrastructures de la Cellule Eucaryote
3a. Le Noyau & 3b. Le Nucléole (description en interphase = entre 2 divisions cellulaires)
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Le rôle du noyau est principalement de contenir le patrimoine héréditaire spécifique et individuel (espèce /individu).
Il dirige la synthèse de toutes les protéines, qui a lieu au niveau d'organites cytoplasmiques spécialisés: les ribosomes.
L'examen du noyau (taille de 3 à 10 μm) au microscope optique ou au microscope électronique à faible grossissement révèle la
structure suivante :
•un nucléoplasme, masse liquide analogue pour le noyau au cytoplasme pour la cellule tout entière, apparaissant translucide ou clair
et peu colorable.
•une enveloppe nucléaire ou nucléique délimitant le noyau et contrôlant le transit des molécules; elle est faite de très fins sacs
membraneux projetant des expansions dans le cytoplasme; l'enveloppe nucléaire. L'enveloppe nucléaire est constituée de deux
membranes séparées par un espace périnucléaire de 10-15(-30) nm de large et est percée de pores de 25 à 100 nm, ce qui permet de
nombreux échanges entre le noyau et le cytoplasme. D’autre part l'espace périnucléaire communique par endroit avec les citernes du
réticulum endoplasmique. Les différents rôles de l'enveloppe nucléaire sont:
 contrôler le passage des molécules qui la traverse: ions, petites molécules comme les acides aminés, mono- et
disaccharides et certaines macromolécules;
 circonscrire tous les composants du noyau;
•un ou parfois plusieurs exemplaires d'un corpuscule sphérique très
dense et très colorable, le nucléole qui est constitué d’ARN et de
protéines et intervient dans la synthèse des Ribosomes.
•des amas aisément colorables de chromatine, une substance
fibrillaire se présentant sous une forme condensée « passive »
principalement située en périphérie nucléaire et à proximité du
nucléole, l'hétérochromatine, et sous une forme plus dispersée,
« active » et répartie dans tout le noyau, l'euchromatine; les cellules Nucléole
peu actives ont donc un petit noyau dans lequel prédomine la Réticulum
chromatine sous sa forme condensée et où le nucléole est petit voire
Endoplasmique
absent, les cellules très actives au contraire présentent peu
Euchromatine
d'hétérochromatine et éventuellement plusieurs nucléoles.
Hétérochromatine
Enveloppe Nucléaire
Nucléoplasme
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