Callen QROC réponses

Jean-Claude Callen, Biologie cellulaire
Réponses aux questions (QROC) des 16 chapitres
Chapitre 1
R1 : La biosphère représente l’ensemble des écosystèmes (biotopes et biocénoses)
présents sur la planète Terre, aussi bien dans la lithosphère, l’hydrosphère et
l’atmosphère. Les quatre atomes les plus abondants de la biosphère sont l’oxygène, le
silicium, l’aluminium et le fer.
R2 : Les atomes les plus abondants dans les molécules organiques sont l’oxygène, le
carbone, l’hydrogène et l’azote (par ordre décroissant d’importance).
R3 : Le carbone est un élément chimiquement important dans la matière vivante car il
se combine aisément aussi bien avec l’oxygène, l’azote et l’hydrogène qu’avec lui-
même, ce qui lui permet de constituer une extrême diversité de molécules de toutes
formes et de toutes tailles.
R4 : Les êtres vivants sont caractérisés par quatre propriétés fonctionnelles majeures :
une activité chimique (ou métabolisme), une capacité de réaction (qui s’exerce à tous
les niveaux d’organisation), une capacité de reproduction conforme à court terme, et
enfin une aptitude à l’évolution.
R5 : L’analyse microscopique des organismes permet de mettre en évidence les unités
élémentaires d’organisation du vivant, à savoir les cellules, ce qui constitue un bon
critère d’identification des êtres vivants (y compris à l’état fossilisé). Cependant cette
approche a ses limites, en particulier lorsqu’il s’agit d’étudier des organismes fossiles
très anciens.
R6 : Le métabolisme est constitué de toutes les réactions chimiques qui se déroulent
dans les cellules vivantes, permettant leur croissance ou le renouvellement de leur
matière. On y distingue trois grandes catégories : le métabolisme intermédiaire, le
métabolisme énergétique et le métabolisme relatif aux macromolécules (on ajoute aussi
parfois le métabolisme de l’information). Il se divise en anabolisme (synthèses) et
catabolisme (dégradations).
R7 : L’homéostasie consiste dans le maintien, autour de valeurs stables de référence,
des paramètres physiques, chimiques et biologiques caractérisant le milieu intérieur des
organismes (ou le cytoplasme des cellules). Diverses réponses régulatrices, en général
hormonales, permettent de corriger les dérives de paramètres physiologiques tels que la
glycémie, la calcémie, l’équilibre acido-basique ou phosphocalcique, chez les
Animaux.
R8 : L’espèce moléculaire la plus abondante chez les êtres vivants en activité est l’eau,
qui représente près de 75 % de leur masse totale. Solvant quasi universel des molécules
organiques, elle intervient dans de nombreuses réactions chimiques (hydrolyse et
condensation), et constitue le milieu interstitiel des cellules et l’élément de base du
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milieu intérieur des organismes pluricellulaires (la lymphe et le sang des Vertébrés, par
exemple).
R9 : La hiérarchie des molécules caractéristiques du vivant s’organise de la façon
suivante :
à partir des précurseurs simples (minéraux) du milieu, de petites molécules
(intermédiaires métaboliques) sont élaborées, qui servent à fabriquer les éléments de
base des molécules du vivant (acides aminés, sucres, nucléotides...). Ces derniers
servent à la construction des macromolécules entrant dans la constitution des édifices
supramoléculaires, qui sont eux-mêmes à la base de l’architecture des organites
cellulaires.
R10 : Les tailles des molécules et des cellules sont exprimées respectivement en
nanomètres et en micromètres (certaines cellules pouvant cependant
exceptionnellement atteindre des tailles de l’ordre du millimètre ou du centimètre, dans
une de leurs dimensions).
R11 : Une macromolécule est une molécule de très grande taille, atteignant une masse
moléculaire de plusieurs dizaines de milliers de Daltons, et en général constituée de
sous unités appartenant à une même famille chimique. Les protéines sont constituées
d’acides aminés (20 différents), les polysaccharides sont constitués des sucres simples
(hexoses, pentoses) parfois modifiés, et les acides nucléiques sont constitués de
nucléotides.
R12 : L’autoassemblage est le phénomène par lequel diverses molécules (simples ou
bien macromolécules) s’associent spontanément y compris − in vitro − pour former des
édifices de grande taille, dits supramoléculaires. Ces derniers forment le pont entre le
monde des molécules et celui des organites. On peut citer les membranes biologiques,
les ribosomes, les microfilaments d’actine, les microtubules, les flagelles bactériens...
R13 : Les virus ne sont pas considérés comme des êtres vivants car ils ne présentent pas
de structure cellulaire, n’ont aucun métabolisme propre et ne peuvent être reproduits
que grâce à des cellules vivantes qu’ils sont obligés d’infecter pour assurer leur cycle de
multiplication (parasitisme absolu).
R14 : On distingue deux grands groupes d’êtres vivants, sur la base de leur organisation
cellulaire : les Procaryotes, à structure cellulaire très simple et de très petite taille, et les
Eucaryotes, dont les cellules ont une organisation bien plus complexe (dite
compartimentée) et des tailles beaucoup plus grandes (1 000 à 10 000 fois).
R15 : Pour assurer leur activité chimique et accomplir leur croissance ou le
renouvellement de leur matière, les êtres vivants ont besoin d’une source de carbone,
d’une source d’énergie, d’une source de pouvoir réducteur et de divers éléments
minéraux.
R16 : Un type trophique est une catégorie d’êtres vivants utilisant un même procédé
physiologique d’extraction de matière et d’énergie à partir de leur milieu.
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R17 : Un organisme aérobie utilise l’oxygène comme accepteur terminal d’électrons
dans ses réactions d’oxydoréduction (ex. : de nombreuses bactéries, les Animaux...) ;
un organisme anaérobie facultatif peut vivre en l’absence d’oxygène en réalisant un
métabolisme fermentaire ou une respiration des nitrates ou des sulfates (ex. : la levure
de bière, Escherichia coli, certains Animaux parasites) ; un organisme anaérobie strict
ne tolère pas l’oxygène, qui est un poison pour lui (ex. : Clostridies fermentaires,
bactéries méthanogènes).
R18 : Un organisme autotrophe n’utilise que des éléments minéraux pour subvenir à
ses besoins (ex. : les Végétaux verts photosynthétiques, qui se nourrissent de CO2,
d’eau, de sels minéraux et de lumière. Un organisme hétérotrophe a besoin d’une
source de matière organique pour vivre, qui lui apporte ses chaînons carbonés ainsi
que l’énergie contenue dans ses liaisons chimiques.
R19 : Les phototrophes utilisent la lumière comme source d’énergie (organismes
photosynthétiques), tandis que les chimiotrophes (organotrophes et lithotrophes)
utilisent les réactions spontanées d’oxydoréduction pour extraire l’énergie potentielle
de diverses molécules (réactions exergoniques).
R20 : Les organismes chimiosynthétiques sont tous bactériens et très variés : bactéries
sulfureuses non photosynthétiques, bactéries oxydant les ions ferreux, certaines
bactéries nitrifiantes ou dénitrifiantes, certaines bactéries méthanogènes...
Chapitre 2
R1 : Les premières observations de cellules datent de la deuxième moitié du 17e siècle :
1665 pour R. Hooke (cellules mortes de liège) et 1674 pour A. Leeuwenhoek (cellules
vivantes : unicellulaires eucaryotiques et même procaryotiques). Le premier utilisait un
microscope composé, et le second un microscope simple (loupe).
R2 : Un microscope à transmission est conçu pour fournir des images d’objets
transparents, observés après qu’ils aient été traversés par la lumière (microscope
photonique) ou par un faisceau d’électrons (microscope électronique à transmission).
R3 : L’ouverture numérique d’un microscope photonique est le produit noté « n sinus
_ », où n est l’indice de réfraction du milieu situé entre l’objectif et la lamelle couvrant
l’échantillon, et _ est le demi angle d’ouverture de la lentille frontale. On peut
augmenter sa valeur en réalisant une observation à l’immersion car n (indice de l’huile)
devient égal à 1,5 (au lieu de 1 dans l’air) et l’angle d’ouverture est très ouvert, car la
lentille est alors proche de l’objet.
R4 : Les pouvoirs séparateurs des meilleurs microscopes photoniques et électroniques
sont respectivement de 0,2 _m et de 0,1 − 0,2 nm.
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R5 : Dans un microscope à fluorescence, l’échantillon est éclairé par une lumière dite
excitatrice, qui entraîne la fluorescence naturelle de certains composés (qui absorbent
cette lumière), ou de molécules auxquelles on a greffé des « fluorochromes » artificiels.
Ces molécules excitées réémettent une lumière d’une longueur d’onde plus élevée, qui
est observée après passage à travers des filtres appropriés. Le microscope à
épifluorescence est couramment utilisé.
R6 : La profondeur de champ est une grandeur traduisant le fait que l’observation d’un
objet transparent, le long de l’axe optique, ne peut donner une image nette que sur une
certaine épaisseur de cet objet. Elle est d’autant plus faible que le grossissement utilisé
est important. On tourne cette difficulté en réalisant une série d’observations mettant en
jeu des mises au point successives, décalées le long de l’axe (coupes optiques). On
peut ainsi reconstituer dans l’espace la totalité d’un objet épais, en faisant la somme de
toutes les observations.
R7 : Les principaux dispositifs physiques associés au microscope photonique sont les
suivants : contraste de phase, microscopie interférentielle, microscopie en lumière
polarisée.
R8 : Les principales étapes de ce protocole sont les suivantes : fixation de l’échantillon,
déshydratation, inclusion en paraffine ou en résine, coupe (fine ou ultrafine) grâce à un
microtome (ou ultramicrotome), coloration, montage (histologie classique) ou
récupération de la coupe sur une grille (microscopie électronique).
R9 : Ces deux techniques permettent d’observer les formes et les surfaces d’objets de
petites dimensions et de formes relativement simples tels que molécules, Virus ou
organites. La coloration négative met en jeu l’évaporation d’un solvant contenant un
soluté (substance opaque aux électrons) qui se dépose autour des objets, conduisant à
un halo sombre lors de l’observation. L’ombrage métallique met en œuvre la
vaporisation d’un métal opaque aux électrons (sous vide et sous un angle assez incliné),
conduisant à un dépôt localisé de ce métal créant un effet d’ombre portée lors de
l’observation.
R10 : Les techniques d’observation des surfaces en microscopie électronique sont, en
plus de la coloration négative et de l’ombrage métallique (voir plus haut) : la technique
de cryofracture, la microscopie à balayage et la microscopie à champ proche.
R11 : Les Eucaryotes sont constitués de quatre grands groupes d’êtres vivants : les
Protistes (unicellulaires autotrophes ou hétérotrophes), les Champignons (hétérotrophes,
à structure cellulaire et caractéristiques chimiques originales), les Animaux
(pluricellulaires hétérotrophes, en général mobiles) et les Végétaux verts (autotrophes
photosynthétiques et immobiles).
R12 : Les organites caractéristiques de tous les Eucaryotes sont les suivants : le noyau,
le réticulum endoplasmique (lisse et rugueux), l’appareil de Golgi, les endosomes, les
mitochondries, les peroxysomes et les lysosomes.
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R13 : Les structures cellulaires et les organites propres aux Végétaux verts sont : les
chloroplastes (et toutes les formes de plastes), les vacuoles (qui sont des lysosomes
hypertrophiés, d’une certaine manière) et la paroi extracellulaire (pectocellulosique).
R14 : L’organisation cellulaire des Champignons est originale car : leurs cellules sont
très allongées, formant des hyphes ramifiés à croissance apicale ; leur cytoplasme peut
renfermer de nombreux noyaux (structure coenocytique). La paroi de ces cellules
contient de la chitine et non de la cellulose, et le glycogène (cytosolique) constitue la
réserve énergétique glucidique.
R15 : Les Champignons se distinguent des Végétaux verts par leur caractère
hétérotrophe (ils se nourrissent de matière organique, comme les Animaux, mais
obligatoirement par osmotrophie), ainsi que par des caractéristiques structurales et
biochimiques bien spécifiques, qui ont déjà été évoquées dans la réponse précédente.
R16 : Les Ciliés (êtres unicellulaires, comme la Paramécie) sont considérés comme des
organismes à part entière car ils possèdent un ensemble de structures cellulaires très
sophistiquées leur permettant d’avoir un mode de vie tout à fait autonome : ils
possèdent des organites de locomotion, de défense, de capture des proies, de digestion,
d’excrétion, de perception des stimuli extérieurs...
R17 : Les caractéristiques fondamentales différenciant les Procaryotes des Eucaryotes
concernent : la taille moyenne des cellules, leur compartimentation (présence ou non
de systèmes membranaires) interne, l’existence ou non d’un cytosquelette,
l’organisation de la membrane limitante et de la paroi, l’organisation du matériel
génétique et son fonctionnement, les possibilités métaboliques et l’aptitude à former
des organismes pluricellulaires.
R18 : Les principaux groupes d’Eubactéries sont : les Bactéries Gram négatives (très
diversifiées) avec, en particulier les Bactéries photosynthétiques pourpres et vertes (et
toutes celles hétérotrophes, qui leur sont apparentées), les Cyanobactéries, et enfin les
Bactéries Gram positives (avec, en particulier, les Actinomycètes, très abondants dans
les sols).
R19 : Les Eubactéries Gram négatives et Gram positives se distinguent par
l’organisation de leur paroi et de leurs enveloppes limitantes : les premières possèdent
deux membranes limitantes entourant un peptidoglycane fin situé dans l’espace
périplasmique (ex. : Escherichia coli) ; les secondes n’ont qu’une membrane
(plasmique), mais doublée d’un peptidoglycane très épais (ex. : Bacillus subtilis).
R20 : Les grands groupes d’Archébactéries sont les suivants : 1) les méthanogènes,
anaérobies strictes produisant du méthane à partir de CO2 et de H2 ; 2) les halophiles,
qui vivent dans des milieux extrêmement riches en sels (jusqu’à 30 % ; certaines
réalisent une photosynthèse très originale) ; 3) les thermoacidophiles, qui vivent dans
des milieux très acides (pH 1) et à des températures pouvant dépasser 100 ° C (sources
volcaniques chaudes et évents sous-marins). Les deux dernières catégories, qui vivent
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