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Ultrastructure de la cellule cours 4e

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Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Biologie 1 : Ultrastructure de la Cellule
http://decadencedecordicopolis.wordpress.com
TABLE DES
MATIERES
DEVELOPPEMENTS ATTENDUS
CH 1 : La théorie cellulaire
1) Origine de la théorie cellulaire
2) Les niveaux d’organisation du vivant
3) Les tailles relatives du vivant
4) Unité du vivant
5) La cellule observée au microscope
optique
BIOLOGIE
Définir la cellule et la théorie cellulaire
Pouvoir citer les différents niveaux d’organisation du
vivant + donner un exemple
Connaitre les unités de grandeur
Connaitre le pouvoir de résolution de l’œil et des
microscopes
Pouvoir distinguer sur photo une cellule animale d’une
cellule végétale (et justifier)
Pouvoir décrire à l’aide d’un schéma légendé la cellule
animale et la cellule végétale
Définir : cytoplasme, membrane cytoplasmique,
organite, noyau
- THEME I - 1
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
CH 2 : La cellule observée au microscope électronique
1) Techniques permettant l’étude de
la cellule
Le microscope optique MO
Le microscope électronique MET
Le microscope à balayage MEB
Distinguer le MET du MEB (principe de
fonctionnement et type d’information fournie)
Distinguer une photo prise à partir d’une observation
faite au MET ou au MEB
2) Les organites de la cellule
Reconnaître sur photographie (ou schéma) d’une
cellule observée au MET, les organites : membrane
cellulaire, noyau, réticulum endoplasmique lisse ou
rugueux, ribosome, appareil de Golgi, lysosome,
cytosquelette,
centrosome,
mitochondrie,
chloroplaste.
Décrire ces structures, en faire un schéma légendé et
donner leur(s) rôle(s).
Décrire la composition chimique de la membrane (+
définir hydrophile et hydrophobe)
CH 3 : La membrane : lieu d’échanges avec le milieu extérieur
1) Rôles de la membrane
2) Le transport membranaire
A. passif : diffusion simple
diffusion facilitée
osmose
B. actif : pompes transmembranaires
endo- et exo-cytose
3) Le lysosome : lieu de la digestion
cellulaire
Justifier la nécessité des échanges pour la cellule
Pouvoir citer et distinguer les différentes sortes de
transports membranaires et faire le lien avec la
structure moléculaire de la membrane
Définir gradient de concentration
Justifier l’affirmation : la membrane est une structure
semi-perméable
Définir osmose, plasmolyse et turgescence, solution
hyper. hypo. et isotonique
Décrire les mécanismes d’endo et d’exocytose
CH 4 : La mitochondrie et la respiration cellulaire
Connaître le but de la respiration
Connaitre l’équation de transformation de l’ADP en
ATP
Connaitre l’équation bilan de la respiration cellulaire
Préciser les lieux de synthèse de l’ATP, distinguer
glycolyse et respiration
CH 5 : Les chloroplastes et la photosynthèse
Citer l’organite responsable de la photosynthèse
Connaitre le but de la photosynthèse
Distinguer phase claire et phase sombre
Pouvoir écrire l’équation bilan simplifiée de la
photosynthèse et son lien avec la respiration
cellulaire.
SYNTHESE GENERALE : Liens fonctionnels entre les différents organites de la cellule.
BIOLOGIE
- THEME I - 2
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Biologie 1 : Ultrastructure de la Cellule
Chap. 1.
La théorie cellulaire
1) Origine de la théorie cellulaire
Dans l’Antiquité, Aristote (~384 - ~322) cherche, dans son traité « De anima », une définition de l'âme. Sa
philosophie identifie l'âme au "principe moteur" des êtres vivants. La vie résulte de la rencontre entre un
principe passif, la matière, inerte et informe et un principe actif, l'âme qui imprime à la matière son
organisation complexe, son mouvement, son énergie, sa vitalité. C’est la théorie vitaliste.
La naissance du christianisme coïncide avec un premier abandon du vitalisme. La science et la philosophie
sont dépossédées de leurs fonctions explicatives et justificatives. Le sens et la destination de l'homme
deviennent des préoccupations purement théologiques, et le vitalisme s'efface donc devant l'idée
dominatrice de la toute-puissance divine.
Une des premières découvertes importantes en biologie passa à peu près inaperçue à l'époque où on la fit.
L'étude de la cellule (ou cytologie) ne commença vraiment qu'au 17ème siècle
avec l'apparition du microscope optique. C'est en 1665 que le botaniste anglais
Robert Hooke (1635-1702) découvrit la cellule (du latin "cellula" = "petite
chambre") à l'aide d'un microscope de sa fabrication. Il observe une fine coupe
d'un bouchon de liège (le liège est l'écorce d'un chêne européen) et découvre
qu’il contient une multitude de petites chambres. Pour les qualifier, il utilise le
terme " cellules ". En réalité, les structures observées par Hooke ne sont que
des parois cellulaires : les cellules constitutives de l'écorce sont des cellules
mortes.
A la même époque, le Hollandais Anthony van Leeuwenhoek (1632-1723),
améliorant la qualité de la lentille du microscope (50 à 300 x), observait pour la
première fois des cellules animales: entre autres celles des tissus sanguin et
musculaire, les spermatozoïdes, et même les bactéries de sa bouche.
C'est seulement au 18ème siècle que le botaniste allemand Matthias Schleiden
publia sa théorie selon laquelle toutes les plantes étaient composées de cellules.
Un an plus tard, le zoologiste Théodore Schwann émit une théorie semblable
concernant les animaux. Ce que Hooke avait cru être un cas particulier pour le
liège s’avéra être la norme pour tous les tissus vivants : Quel que soit le tissu,
animal ou végétal, on observe toujours qu'il est formé par la réunion de
nombreuses cellules. Plus tard, en observant d’autres échantillons, animaux ou végétaux, on constata que la
matière vivante est toujours ainsi divisée en cellules juxtaposées. Peu de temps après, l'allemand Rudolph
Virchow statua que « chaque cellule provient d'une cellule préexistante ».
C'est finalement au milieu du 19ème siècle qu’on se rendit également compte que les cellules pouvaient se
reproduire. Dans les conditions appropriées, une cellule, même isolée du tissu d'où elle provient, peut se
nourrir, respirer, s'entretenir, se reproduire. Chaque cellule est un être vivant à part entière.
BIOLOGIE
- THEME I - 3
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Vers 1839, le monde scientifique admit ce qu'on allait appeler la théorie cellulaire : Tout être vivant, animal
ou végétal, est composé d'éléments autoreproducteurs qu'on appelle cellules.
Les contributions de ces scientifiques ont mené à la théorie cellulaire qui comporte trois grands aspects :

Tout être vivant est composé de cellules (au moins une cellule).

La cellule est la plus petite entité vivante.

Toute cellule provient d'une autre cellule.
.……………………………………………………………………………………………………………………………………………...........................................
............................................................................................................................. ...............................................................
...........................................................................................................................................................................................
2)
Niveaux d’organisation du vivant
Aujourd'hui, on considère que tout être vivant est formé de cellules.
Dans la hiérarchie de l'organisation biologique, la cellule représente le premier niveau capable de vie.
Bien que la plupart des organismes soient formés d'un grand nombre de
types différents de cellules, certains sont constitués d'une seule cellule.
Les biologistes parlent d'organismes unicellulaires (l'illustration ci-contre
représente une amibe, organisme unicellulaire).
Les organismes pluricellulaires, dont les végétaux et les animaux,
comportent plusieurs sortes de cellules spécialisées, organisées en
groupements complexes, comme les tissus et les organes.
L'être humain est formé de milliards de cellules. Parmi elles, on peut distinguer un certain nombre de types
différents :

certaines nous servent à transporter l'oxygène (l'illustration ci-contre
à gauche présente des …………………………………………………………………….),

d'autres à nous défendre contre les microbes (l'illustration ci-contre
en-dessous présente un ………………………………………………………………..),

d'autres à produire les enzymes digestifs,

d'autres à nous servent à penser
(l'illustration
à
droite
présente
une
…………………………………………………………………),
BIOLOGIE
- THEME I - 4
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Dans les organismes pluricellulaires, les cellules sont organisées en tissus. Un tissu est un ensemble de
cellules caractérisées par une structure et une fonction commune.
De l’atome à l’écosystème (étudié l’année passée), nous voyons apparaître des structures de plus en plus
complexes.
(http://www.cafe.rapidus.net)
3)
Les tailles relatives du vivant
« Les cellules d'un moustique sont-elles plus petites que celles d'une baleine bleue ? »
atome
molécule
virus
10-10
10-9
10-8
Å
nm
Angstrœm
Nanomètre
BIOLOGIE
bactérie
10-7
cellule
10-6
10-5
μm
Micromètre
ou Micron
fourmi
10-4
10-3
mm
Millimètre
bébé
10-2
cm
10-1
dm
1
m
Mètre
unité SI
101
- THEME I - 5
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Le pouvoir de résolution de l’œil humain, sa capacité à distinguer des détails, est d’environ 100 μm (à peu
près la largeur d’un cheveu). On ne pourrait pas, par exemple, distinguer à l’œil nu, deux points situés à
moins de 100 μm l’un de l’autre. Ils apparaîtraient comme un seul point.
Œil = 10-4 = perçoit 2 points séparés de 1/10ème de mm
= …………………………….
Microscope optique = 10-7 à 10-8 (selon la qualité du microscope)
= …………………………….
Microscope électronique = 10-10 = de l’ordre de l’angstrœm
= …………………………….
Remarque : La plus petite cellule humaine c’est …………………………………………………………. (environ 2 μm sans la queue)
La plus grosse cellule humaine c’est ………………………………………………………… (environ 100 μm)
4)
Unité du vivant:
Non seulement tous les êtres vivants sont formés de cellules, mais en plus, d’un être vivant à un autre, les
cellules sont très semblables. Il y a peu de différences, par exemple, entre les neurones (ce sont les cellules
formant le système nerveux) d’un moustique et ceux d’un humain. De même, on ne peut discerner, au
microscope, les cellules du foie d’un humain, de celles d’un chat ou même d’un poisson. Même si elles peuvent
avoir des formes et des tailles différentes, les cellules possèdent toutes la même structure de base,
elles sont formées des mêmes organites (les organites, ce sont les petites structures que l'on peut
observer à l'intérieur des cellules): membrane, noyau, vacuoles, ribosomes, réticulum endoplasmique, etc.
On peut voir le monde vivant comme un gigantesque jeu de Lego. À partir de quelques types de briques
élémentaires, les différents types de cellules, on peut construire une variété infinie de formes vivantes.
De plus, on a découvert, par la suite, que le mode de fonctionnement des cellules, l’ensemble des réactions
chimiques s’y déroulant, était sensiblement le même, peu importe le type de cellule. Il n’y a pas tant de
différences entre une cellule de tomate et une cellule humaine. Un très grand nombre de réactions
chimiques se déroulant dans l’une se déroulent aussi dans l’autre.
L'illustration à gauche présente un fragment de tissu prélevé dans la gorge d'un
être humain.
L'illustration de droite présente une
coupe d'un tissu végétal. On y reconnaît
trois tissus différents comme dans
l’autre tissu !!
Vues au microscope optique, les cellules sont toutes constituées de trois éléments essentiels :

la …………………………………………………………………………………………. ;

le ………………………………………………………………………………………… ;

le ………………………………………………………………………………………….
BIOLOGIE
- THEME I - 6
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
5)
2013-2014
La cellule observée au microscope optique
Même si elles peuvent présenter de grandes différences entre elles, toutes les cellules sont formées :

d’une ………………………………………………………………………………………………………………… qui sépare le milieu interne de
la cellule de son milieu externe. C’est donc un lieu d’échanges pour l'oxygène, le CO2, les nutriments,
les déchets etc.. Certaines cellules comme les globules rouges perdent leur noyau lorsqu’elles
deviennent matures. Elle donne une structure à la cellule. La plupart des cellules végétales
possèdent à l’extérieur de la membrane cytoplasmique une paroi cellulosique rigide, les cellules
animales jamais.

d’un ……………………………………….. qui est une grosse structure renfermant le matériel génétique de la
cellule. Ce matériel génétique contrôle tout le fonctionnement de la cellule. Il se présente sous la
forme d’une petite sphère et est généralement situé à peu près au centre de la cellule animale et
contre la membrane cytoplasmique des cellules végétales adultes.

du …………………………………………………… qui comprend tout le matériel situé entre la membrane et le noyau.
On y retrouve :
-
le cytosol : C’est le nom donné à la portion liquide du cytoplasme. Le cytosol est un liquide
gélatineux renfermant une grande variété de molécules organiques et inorganiques
(protéines, électrolytes, glucides ...).
-
Les organites et inclusions Les organites sont de petites structures remplissant des
fonctions précises (combustion des aliments, élimination des déchets, réactions, mouvements
etc) dans la cellule. Les inclusions sont des sacs qui peuvent se former et se défaire. Ils
renferment des produits synthétisés par la cellule. Le cytoplasme des cellules végétales se
caractérise par la présence de vacuoles bien visibles.
Cellule animale
BIOLOGIE
Cellule végétale
- THEME I - 7
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
Description
2013-2014
C.animale
C.végétale
Forme
Cytoplasme
Membrane
cytoplasmique
Noyau
Vacuoles
Plastes
Paroi
cellulosique ou
squelettique
BIOLOGIE
- THEME I - 8
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
Chap. 2.
2013-2014
La cellule au microscope électronique
1) Techniques permettant l'étude de la cellule
Le cytologiste utilise le microscope optique et le microscope électronique pour l’étude de la cellule. Chacun
d’eux a des avantages et des inconvénients.
Les microscopes optiques (MO) (ou
photoniques) sont appelés ainsi
parce que leur source d'éclairage
est en général la lumière visible, qui
se quantifie en photons. Dans ces
instruments, la lumière traverse la
préparation (l'échantillon), puis deux
lentilles de verre. Les lentilles
réfractent (dévient) la lumière de
façon à grossir l'image projetée
dans l'œil. La plupart des structures
cellulaires, ou organites, sont
invisibles au microscope photonique. Les objets à observer doivent généralement
être soumis à un traitement particulier, comprenant souvent la coloration.
Le microscope électronique à transmission (MET), fait passer un faisceau
d'électrons à travers la
préparation. Les microscopes
électroniques
modernes
atteignent une limite de
résolution environ 1000 fois
plus grande que celle du
microscope photonique. Les
biologistes
utilisent
l'expression
ultrastructure
cellulaire
pour
désigner
l'anatomie de la cellule que le
microscope
électronique
permet d'observer.
Les deux facteurs les plus importants en microscopie sont le grossissement et le pouvoir de résolution. Le
grossissement représente le rapport entre les dimensions apparentes de l'image et les dimensions réelles
de l'objet. Le pouvoir de résolution est une mesure de la clarté de l'image.
BIOLOGIE
- THEME I - 9
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Les principales caractéristiques des microscopes optique et électronique sont présentées dans le tableau cidessous.
Microscope optique
Caractéristiques
Grossissement : 25 à 1.500 x
Pouvoir séparateur : 0,2 µm
Lentilles en verre
Images reçues dans l’œil
Épaisseur des préparations : 5 à 15 µm
Avantages
On peut voir les cellules entières
Observation de cellules vivantes
Couleurs réelles ou colorants
Inconvénients
Peu d’informations
Microscope électronique à transmission
Grossissement : 1.500 à 1.000.000 x
Pouvoir séparateur : 3 à 10.10-10 m
« Lentilles » magnétiques
Images reçues sur un écran fluorescent
Épaisseur des préparations : 0,055 à 15 µm
On peut voir l’ultrastructure de la cellule
On atteint le niveau moléculaire
Les objets à observer sont recouverts d’une
fine couche métallique
La cellule observée est morte
Pas de vue d’ensemble
Il existe une technique un peu particulière de microscopie électronique qui permet d’observer les objets
« en relief » : il s’agit de la microscopie électronique à balayage (MEB). Elle ne s’applique généralement qu’à
des structures relativement grandes et ne permet pas des grossissements aussi forts que la microscopie
électronique par transmission (MET)
Vue d'un caillot sanguin au MEB
BIOLOGIE
Fourmi et puce électronique au MEB
- THEME I - 10
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2)
2013-2014
Les organites de la cellule
Structure
Rôle(s)
Schéma
Membrane cytoplasmique
Noyau
REL = Lisse
Réticulum endoplasmique
( + ribosomes)
RER = Rugueux
BIOLOGIE
- THEME I - 11
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Appareil de Golgi
Lysosomes
Centrosome
( + centrioles)
Mitochondrie
Chloroplaste
Paroi squelettique ou
cellulosique
BIOLOGIE
- THEME I - 12
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Exercice 1
a) Légende ce schéma :
1.
6.
2.
7.
3.
8.
4.
10.
5.
11.
b) Est-ce une cellule animale ou végétale ? Justifie ta réponse.
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….
BIOLOGIE
- THEME I - 13
Sciences de Base - 4ème année - N. Potvin
2013-2014
Exercice 2 :
Les photos ci-dessous correspondent-elles à des cellules de type animal ou végétal ? Argumente ta réponse.
A) ………………………………………………………………………………
B) ………………………………………………………………………………
……………….……………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………….……………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
C) ………………………………….…………………
D) ……………………………………………………
E) ……………………………………………………
……………….…………………………………………
…………………………………………………………
…………………………………………………………
……………….…………………………………………
…………………………………………………………
…………………………………………………………
……………….…………………………………………
…………………………………………………………
…………………………………………………………
……………….…………………………………………
…………………………………………………………
…………………………………………………………
BIOLOGIE
- THEME I - 14
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