Les structures et les fonctions des cellules eucaryotes
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B1.2 (chap2.2) décrire le modèle de la structure mosaïque fluide des membranes cellulaires et expliquer la dynamique du transport passif ainsi que les processus d’exocytose et d’endocytose. SBI4U Module B Biochimie cellulaire LAF 2014 Chapitre 2-1 p.58-71 Les structures et les fonctions des cellules eucaryotes Procaryotes : ex : La cellule bactérienne Eucaryotes Voici les caractéristiques communes aux cellules eucaryotes : 1) Le matériel génétique (ADN) est dans une enveloppe nucléaire. (noyau) 2) Une membrane cellulaire faite d’une bicouche de phospholipides et de protéines intégrées sépare le contenu de la cellule du milieu environnant. 3) Le cytoplasme est une substance gélatineuse qui inclut tout ce qui se trouve à l’extérieur du noyau, mais à l’intérieur de la membrane cellulaire. Il englobe les organites, le cytosol, ainsi que les molécules et les ions dissous ou en suspension dans le cytosol. Le cytosol est la partie liquide du cytoplasme. 1 2 Le noyau p.59 3 il contient l’ADN, qui emmagasine et réplique l’information génétique de la cellule. Chaque molécule D’ADN du noyau se combine à une masse égale de protéine pour former un chromosome. Le nombre de chromosomes contenus dans le noyau varie d’une espèce à une autre. Tableau #1 : à remplir organisme # de chromosome organisme Drosophila Mélanogaster Abeilles Tomates Chien mollusque insecte E. coli # de chromosome un fruit Ainsi, les êtres humains possèdent 46 chromosomes tandis que les maringouins en ont seulement 6. Les chromosomes sont visibles uniquement dans les cellules en division. Lorsque les cellules ne sont pas en phase d division cellulaires, la chromatine, un mélange complexe d’ADN et de protéines, représente la forme condensée des chromosomes. Figure 1http://fr.wikipedia.org/wiki/Chromatine: Le noyau contient différentes structures : nucléole, enveloppe nucléaire et les pores nucléaires. (figures 2.4 p.60) 4 Le réticulum endoplasmique p.60 L’enveloppe nucléaire est reliée à un complexe de tubules et de sacs formant le réticulum endoplasmique RE, REL REG. Les zones de la surface du RE qui effectuent la synthèse des protéines sont piquetées de ribosomes (REG) Il s’agit d’agrégats moléculaires d’ARNr et de protéines. Les protéines qui composent les membranes ou qui sont destinée à être exportées de la cellule sont assemblées par les ribosomes du RE rugueux. Les protéines cytosoliques sont fabriquées par les ribosomes libres. Les zones du RE dépourvues de ribosomes forment le réticulum endoplasmique lisse. Le REL synthétise les lipides et les molécules lipidique comme les phopholipides qui composent la membrane. Ex : aussi dans le foie, il contribue à la détoxication des médicaments, des drogues et de l’alcool. Les ribosomes des eucaryotes possèdent des structures et des mécanismes différents de ceux des procaryotes. C’est une des raisons pour lesquelles les antibiotiques tuent les bactéries qui infectent un organisme, mais non ses cellules. Par exemple la tétracycline est un antibiotique qui inhibe la synthèse des protéines dans les ribosomes procaryotes, mais qui n’a aucun effet sur la synthèse des protéines dans les cellules humaines. Figues 2.5 p61 5 Le système endomembranaire : modification et transport des protéines p.61 Le système endomembranaire se compose de l’enveloppe nucléaire, du réticulum endoplasmique, de l’appareil de Golgi et des vésicules. Ce système transporte et traite les produits (protéines et substances cellulaire) de la cellule. Il divise la cellule en compartiments qui limite certaines fonctions à des zones précise. Les organites qui le composent sont reliés entre eux directement ou par l’intermédiaire de vésicules de transport. Figure 2.6 p.61 6 Les fonctions du système endomembranaire p.62 Le système endomembranaire modifie et transporte les protéines de la façon décrite ci-dessous. 1) À la surface du REG, des polypeptides sont produits par des ribosomes liés à la membrane, puis expulsée dans la lumière au lieu d’être libérés dans le cytosol. 2) Dans la lumière, ces polypeptides se dirigent vers le REL, Où ils sont emmagasinées et traités. Lorsque les protéines sont prêtes à être transportées, des parties du REL bourgeonnent pour former des vésicules qui enveloppent les protéines. 3) Les vésicules se dirigent ensuite vers la face cis de l’appareil de Golgi, constitué d’un empilement de sacs membranaires incurvés (fig 2.7). Là, elles fusionnent avec la membrane de l’appareil de Golgi et libèrent leur charge à l’intérieur. Dans l’appareil de Golgi, certaines protéines sont mises en réserve tandis que d’autres subissent d’autre modifications. 4) Lorsque les protéines modifiées sont prêtes à être transportées, des parties de la face Trans de l’appareil de Golgi bourgeonnent pour former des vésicules. Ces vésicules transportent les protéines vers la membrane cellulaire ou vers d’autres destinations à l’intérieur des cellules. 7 Les autres fonctions du système endomembranaire Golgi : L’appareil de Golgi trie, enveloppe et distribue ces lipides ainsi que des protéines. Il fabrique aussi des macromolécules, en particulier des glucides. Dans un grand nombre de cellules végétales, l’appareil de Golgi synthétise des pectines. Les pectines sont des polysaccharides non cellulosiques qui entrent dans la structure des parois cellulaires. "Sweet Home Apparatus" - the ultimate Golgi music video Pectine : Les pectines (du grec ancien, « épaissi, caillé »), ou plus largement les substances pectiques, sont des polyosides, rattachées aux glucides. Ce sont des substances exclusivement d’origine végétale. La pectine est présente en grande quantité dans les pépins et les zestes de groseilles, pommes, coings et agrumes. Intérêt culinaire : La pectine du commerce, dont celle souvent utilisée pour épaissir les confitures et les gelées, est extraite du marc de pommes desséchées. Elle est vendue sous forme liquide ou de cristaux.’ (wiki) Figure: source wiki RE lisse : responsable de la synthèse et du métabolisme des lipides, y compris des stéroïdes et des phospholipides qui composent les membranes des cellules et des organites. Figure: cliquez sur figure pour suive à la source Figure: dessiner un phospholipide 8 9 Les lysosomes produit également par l’appareil de Golgi se retrouvent dans la cellule animale. Ils sont des sacs membranaires contenant plus de 40 enzymes. Ces enzymes catalysent des réactions d’hydrolyse, qui décomposent des macromolécules en molécules plus petites que la cellule peut réutiliser. Les lysosomes digèrent des parties de la cellule qui sont trop vieilles ou devenues inutiles. Ils dégradent aussi les bactéries et d’autres particules étrangères que la cellule à ingérées. Les enzymes des lysosomes sont le plus efficaces dans un milieu acide, dont de pH est proche de 5. Étant donné que le cytosol d’une cellule a un PH d’environ 7.2 cette différence de pH protège la cellule. Même si un lysosome se brise et déverse ses enzymes dans la cellule, celles-ci sont peu susceptibles de digérer des parties de la cellule vivante. Figure de l’internet : Cliquez sur l’image pour suivre le lien à la source Autre référence super universitaire et intéressante cliquez ici Les peroxysomes p.63 Les peroxysomes sont des sacs membranaires qui contiennent des enzymes. Ils se forment par bourgeonnement du réticulum endoplasmique. Contrairement aux enzymes des lysosomes, qui catalysent des réactions d’hydrolyse, les enzymes des peroxysomes sont des oxydases, qui catalysent des réactions d’oxydoréduction. Les peroxysomes dégradent de nombreuses biomolécules et certaines molécules toxiques. Comme les substances toxiques s’accumulent dans le foie, les cellules de cet organe contiennent beaucoup de peroxysomes. Par exemple, les peroxysomes du foie oxydent et dégradent les molécules d’alcool. Un grand nombre des réactions catalysées dans les peroxysomes produisent du peroxyde d’hydrogène (H 2O2) toxique. C’est pourquoi tous les peroxysomes contiennent une enzyme appelée catalase, qui décompose le peroxyde d’hydrogène en eau et en oxygène gazeux. Les peroxysomes, de certaines cellules synthétisent des molécules. Dans la famille des peroxysomes, les glyoxysomes présents dans les cellules végétales contiennent des enzymes qui transforment les réserves lipidiques des graines en glucides pour nourrir l’embryon lors de la germination. Source pour image est la même que le PP ci-dessous Cliquez ici pour visualiser un power point sur les peroxysomes 10 Les vésicules et les vacuoles p.63 Le terme vésicule désigne des sacs membranaires qui servent à transporter et à emmagasiner des substances dans la cellule. Les vésicules se forment par bourgeonnement des membranes des cellules et des organites. Elles peuvent aussi fusionner avec les membranes des cellules et des organites pour libérer leur contenu. Une cellule végétale typique contient un grand nombre de petites vésicules, mais surtout une grand vésicule centrale appelée vacuole. La vacuole emmagasine de l’eau, des ions, des sucres, des acides aminés et des macromolécules. Elle contient aussi des enzymes qui décomposent les macromolécules et les déchets cellulaires. La quantité d’eau contenue dans la vacuole centrale détermine la pression de turgescence, ou pression interne, de la cellule végétale. Lorsqu’elle est pleine, la vacuole exerce une pression contre la paroi cellulaire. Cela augmente la pression de turgescence et rend la cellule rigide. Cette pression est responsable de la rigidité des tiges flexibles des plantes herbacées s’il n’y a pas assez d’eau, la vacuole rétrécit et s’éloigne de la paroi cellulaire. (Plasmolyse) Par conséquent, les plantes qui manquent d’eau se fanent à mesure que la pression de turgescence diminue dans leurs cellules. Figure: Vésicule biologie Wiki Figure: vésicule synaptique Cliquez sur les images pour suivre à la source. Figure Micelle 11 Les chloroplastes p.64 12 Les cellules des organismes eucaryotes responsables de la photosynthèse possèdent en général d’une à plusieurs centaines de chloroplastes. Ces organites contiennent de la chlorophylle, un pigment responsable de la photosynthèse qui absorbe de l’énergie lumineuse La chlorophylle participe au mécanisme de conversion, par oxydoréduction, du dioxyde de carbone et de l’eau en molécules organiques riches en énergie. La figure 2.9 montre des piles de thylakoïde qui se trouvent dans un fluide épais appelé Stroma. Les membranes de ces disques plats contiennent de la chlorophylle. Chaque pile de thylakoïde forme un granum (grana au pluriel). Dans cette figure on a un aperçu d’une partie de la photosynthèse. (La phase claire) Figure cliquez sur image pour suivre à la source Les mitochondries Les activités et les réactions chimiques qui ont lieu dans la cellule exigent un approvisionnement constant en énergie. Dans les cellules eucaryotes, les mitochondries décomposent les molécules organiques riches en énergie afin de rendre cette énergie utilisable. Elles possèdent une membrane externe lisse et une membrane interne plissée. Les plies de la membrane interne sont des crêtes et l’espace rempli de fluide de la membrane interne est la matrice. Les mitochondries et les chloroplastes contiennent une partie de leur propre ADN qui code certaines de leurs protéines, mais pas toutes. 13 La paroi cellulaire et le cytosquelette p.65 Les cellules des plantes, des champignons et de nombreux types de protistes possèdent une paroi cellulaire qui les protège et les soutient. La composition de cette paroi varie selon le type de cellules, mais elle consiste souvent en un mélange de polysaccharides ou de glycoprotéines. Par exemple, la paroi des cellules végétales est constituée de cellulose et d’autres substances comme les pectines, tandis que la paroi cellulaire des champignons contient de la chitine. Toutes les cellules renferment un réseau interne de fibres protéique qui forment le cytosquelette. Les fibres du cytosquelette traversent le cytoplasme. Elles fournissent une structure à la membrane cellulaire et aux organistes et les maintiennent en place. Les vésicules et d’autres organites se déplacent le long de ces fibres, qui agissent comme des rails reliant les parties de la cellule. Dans certaines cellules, les fibres du cytosquelette forment des appendices qui permettent à la cellule de se propulser dans le fluide qui l’entoure. Le tableau 2.1 compare les fonctions des trois types de fibres protéiques qui composent le cytosquelette. Tableau 2.1 : les fonctions des fibres protéiques dans le cytosquelette 14 15 Les cils et les flagelles p.68 Les cis vibratiles et les flagelles sont des filaments fixés à la paroi externe de certaines cellules eucaryotes. Les filaments longs et peu nombreux (un ou deux) sont des flagelles. Les filaments courts et nombreux sont des cils. Ces structures sont constituées d’un pôle interne fait de microtubules et recouvert d’une membrane externe qui en une extension de la membrane cellulaire. Les flagelles ressemblent à des queues, et leurs battements font avancer les cellules. Un spermatozoïde humain possède un seul flagelle, tandis que le spermatozoïde d’un cycas (arbres) en possède des milliers. Chez les protistes unicellulaires comme les paramécies, le mouvement ondulatoire des cils permet à ces organismes de se déplacer. Chez les organismes multicellulaires comme les humaine, les cellules qui bordent les voies respiratoires supérieurs sont couvertes de cils qui balaient les débris emprisonnée dans le mucus vers l’arrière de la gorges où ils sont avalés ou éjectés par la toux. 16 La membrane cellulaire p.68 Toutes les cellules baignent dans un liquide extracellulaire qui entoure toutes les cellules. Le contenu des cellules est séparé physiquement du milieu aqueux par la membrane cellulaire. Cette membrane remarquable et extraordinairement mince agit comme une frontière sélective et dynamique. En 1972, deux biologistes américains, Jonathans Singer et Garth Nicolson, ont proposé un modèle qui continue d’être utilisé aujourd’hui. Ils ont visualisé les protéines insérées dans la bicouche de phopholipides avec leurs segments non polaire en contact avec l’intérieur non polaire de la bicouche et leurs parties polaires sortant de la surface de la membrane. Dans ce modèle de la mosaïque fluide illustré à la figure 2.12 un mélange de protéines et d’autres molécules flotte dans la bicouche fluide de phospholipides ou au-dessus. 17 Les caractéristiques du modèle de la mosaïque fluide p.69 Les phospholipides de la membrane sont retenus ensemble par des forces intermoléculaires faibles plutôt que par des liaisons covalentes fortes, les molécules peuvent se déplacer librement à l’intérieur de la membrane. En fait les phopholipides d’une même couche changent de place des millions de fois par seconde, ce qui entraîne une reconfiguration continuelle des surfaces de la membrane. Les queues non polaires s’agglutinent et sont maintenues ensemble par des interactions hydrophobes. La fluidité d’une bicouche de phospholipides À la température ambiante, la bicouche de phospholipides a une viscosité semblable à celle de l’huile végétale. La fluidité d’une bicouche est une propreté importante. Si la bicouche est trop fluide, elle laisse passer trop de molécules vers l’intérieur ou l’extérieur de la cellule. Si elle n’est pas assez fluide, elle empêche trop de molécules de passer. Voici les facteurs qui influent sur la fluidité de la bicouche : A) La température : Lorsque la température augmente la bicouche devient de plus en plus fluide jusqu’au moment où elle cesse de jouer son rôle de barrière. Lorsque la température diminue, la bicouche se solidifie et prend une consistance gélatineuse. B) La présence de liaison double dans les queues des acides gras : Les liaisons doubles forment des nœuds dans les acides gras de la queue. En présence d’une ou de plusieurs liaisons double, les acides gras se distendent et deviennent plus fluides. C) La longueur des queues d’acides gras : comme les attractions intermoléculaires sont plus nombreuses dans les longues queues, les acides gras sont plus compacts que dans les queues plus courtes, et cela réduit la fluidité. D) La présence de cholestérol influe aussi sur sa fluidité. Les membranes des cellules eucaryotes contiennent souvent des molécules de cholestérol. À la température ambiante et à des températures plus élevées, la présence de cholestérol augmente les attractions intermoléculaires dans la membrane. Celle-ci devient plus compacte et sa fluidité est réduite. Le cholestérol empêche les membranes cellulaires humaines d’être trop fluides à la température du corps. Par contre, à des températures plus basses, les molécules de cholestérol brisent la structure compacte résultant de la gélification des phospholipides. Le cholestérol augmente donc la fluidité de la membrane cellulaire à basse température. 18 La fonction des protéines dans une bicouche de phospholipides Les protéines liées aux membranes sont les protéines intrinsèques et les protéines extrinsèques. Les protéines intrinsèques sont intégrées dans la membrane tandis que les protéines extrinsèques sont attachées plus lâchement et de manière temporaire à la surface de la membrane ou à des protéines intrinsèques. Les protéines extrinsèques et certaines protéines intrinsèques contribuent à stabiliser la membrane et à la maintenir en place en la reliant au cytosquelette de la cellule. Ces protéines déterminent aussi le rôle de la membrane en remplissant certaine fonctions : A) Le transport : Les protéines jouent un rôle essentiel en transportant des substances à travers la membrane cellulaires. B) La catalyse : Les enzymes des membranes cellulaires catalysent des réactions chimiques. C) La reconnaissance des cellules : Les chaînes de glucides qui dépassent des glycoprotéines à la surface externe de la membrane cellulaire permettent aux cellules de se reconnaître. C’est cette fonction qui permet aux cellules de notre corps de reconnaître les envahisseurs nocifs comme les bactéries pathogènes. D) La réception et la transduction des signaux : Les protéines réceptrice de la membrane cellulaire se lient pour signaler la présence de molécules, comme les hormones, et changent alors de forme. Ce signal provoque une réponse cellulaire. Les cellules peuvent donc recevoir des signaux du cerveau et d’autres organes, et y répondre. (insuline) 19 Révision de la section 2.1 p.71 20
