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
