La cellule - Espace Pédagogique Claroline

Cours « Biologie
Cellulaire »
Licence 1ère année de
Biologie
2013-2014
UE GLBP 101
Série D3, 1er semestre
Accueil - OK ?
Introduction
COURS DE BIOLOGIE
CELLULAIRE
2013-2014
Unité d enseignement GLBP 101
Série D3 Licence Biologie / Portail D
Rendez-vous les lundis de 8h à
9h30 + 4 séances (Semaines n°
38,39,40, 41 mercredi de 15h à
16h30) Amphi 6.03 / semestre 1
(Sauf le 9/10 A5.02)
Université Montpellier 2
PRÉSENTATION
1- L ÉQUIPE PÉDAGOGIQUE / COURS de
BIOLOGIE CELLULAIRE : 3 séries
D1,D2,D3
Simon Descamps (MConf UM2 / CRBM)
Christian Jay-Allemand (Prof UM2 / IRD)
Paul Mangeat (Prof UM2 / CRBM)
+ MC, PRAG, ATER (Post-doc) et Moniteurs
(thésards) => TD et TP
⇒ Enseignants-chercheurs / Profession
Mes Coordonnées :
-  Tél: 0467143612 Labo DIADE Bât. 15, 3ème
-  Mèl: [email protected]
-  Sites Web: www.bioingale.com/
www.diade.ird/
2- LES 3 MISSIONS DE L UNIVERSITÉ :
1- Former les chercheurs et Ingénieurs
de demain…
2- Former les futurs enseignants de
collèges, lycées, écoles et universités +
Formation continue …
3- Insertion professionnelle / Vous
adapter au monde de l entreprise /
projets R & D
Enquête de l OCDE en 2006 (http:/
www.oecd.org/topicstatsportal/)
- L es rémunérations en Europe des diplômés
universitaires sont bien supérieures à ceux qui n’ont
qu’un bac en poche
-Les employeurs recherchent les diplômés Bac + 2
et + ! Techn. / Ingénieur / docteur
PLAN GÉNÉRAL
25 h de cours / 17 créneaux d 1h30
7 chapitres
Quelques théories
Près de 10 concepts en Bio Cell …
1-Origine de la vie
2-Évolution cellulaire
3-Membranes et paroi
4-Cytosquelette
5-Organites
6-Cycle cellulaire
7-Machineries
=> Vers les disciplines de la biologie
intégrative et des biotechnologies
Références de livres et de sites Web
FdS / ENT / Cours / Licence L1
3- COURS = 1 polycopié + 1 série de
fichiers au format pdf / Site web + 1 cours
en amphi + TD / TP + livres à consulter +
Contacts avec vos Enseignants-Chercheurs
de l UM2 / Laboratoires
Site Web:http:/www.fdsweb.univ-montp2.fr/
FdS / Espace pédagogique / C.JayAllemand
Livres à consulter:
- J.C. Callen, 1999. Biologie Cellulaire.
Ed. Dunod
- P. Cau & R. Seïte, 2002. Cours de
Biologie Cellulaire. Ed. Ellipses
Examens
Apprendre à schématiser, légender et
commenter les schémas du cours !
LICENCE Sciences et techniques
Mention BIOLOGIE
ULBI 101 : BIOLOGIE CELLULAIRE 1
1ère ANNEE, 1er SEMESTRE
2012-2013
Travaux dirigés et travaux pratiques
Tous les étudiants doivent suivre l ensemble
des travaux pratiques (TP) et des travaux
dirigés (TD), y compris les redoublants
Il n y a AUCUN REPORT DE NOTES DE TP/
TD quelle que soit la note obtenue au cours de
l année 2012/2013 sur l’année en cours
Les groupes de TP/TD seront signalés par
internet, mis sur le site web FdS et affichés au
tableau (bâtiment 4)
Seules les permutations d un groupe à l autre
justifiées seront acceptées
Le début des enseignements pratiques et dirigés
– TD à partir: 30/09 STD1 Bât25 (6 séances)
- TP à partir: 14/10 STD26.13 (5 séances)
Affichage : extrémité du Bâtiment 4
Examen et notation
Epreuve écrite de 1h30
En Janvier 2014 Session 1
corrigée et notée par l enseignant de la Série
Ecrit
-
: Une bonne copie c est :
Un plan clairement énoncé et suivi
Une présentation soignée
Des schémas clairs et bien annotés
Des paragraphes explicatifs simples et précis
D utiliser les bons termes
D éviter d écrire des erreurs grossières
Une à deux copies doubles maxi
TP/TD : Contrôle continu et épreuve de TP / 3h
en décembre 2012
-
Dessins et légendes soignés
Commentaires synthétiques
Autres remarques
Objectif n°1!
Les enjeux de la
biologie cellulaire
•  Hier, comprendre la cellule vivante à
travers la description de son organisation,
l identification de ses molécules
constituantes et l étude des propriétés de
chacune de ces molécules
•  Aujourd hui, la nécessaire prise en
compte des environnements cellulaires /
Facteurs extra-cellulaires, quantification
des processus, étude cinétique et surtout
les interactions ADN-Protéines, protéinesprotéines, …
•  Demain, l intégration des données via la
modélisation informatique et la cellule
artificielle ? Développement de modèles
mécanistes et récemment de modèles dits
« Structure-Fonction » => Science des
interactions moléculaires …
Cellules eucaryotes => Animales/Végétales
Comparaison entre Animal et Végétal ?
Plante = Vaste surface fixe aérienne et
souterraine pour un volume modeste : Pour un
arbre de 40 m de haut, sa surface externe est de 1 ha, sa
surface interne (poches sous-stomatiques) de 30 ha et sa
surface racinaire de 130 ha ! Plante = Une symétrie radiale avec une seule
polarité verticale pour les plantes. Animal = Une
symétrie bilatérale avec une double polarité.
Toute forme dépend de la gravité, de l espace et de
la taille des organismes. Adaptation à la fixité chez
les végétaux => Diversité des biomolécules.
-  Développement coloniaire et immortalité
chez les végétaux (bourgeons indivisibles +
reproduction végétative). Individus «égoïstes» chez
les animaux
-  Embryogenèse finie chez l animal et indéfinie
chez le végétal (due à l activité de ses
méristèmes => gigantisme de certaines plantes).
Unité fonctionnelle =>
Cellule, commune à tous
les organismes
Dictyostelium
Comparaison entre Animal
et Végétal
Unité
fonctionnelle =>
Cellule,
commune à tous
les organismes
Visualiser vidéo n°1 (Amibe)
COURS de
Bio Cell
ORGANISME <=> TISSUS <=>
CELLULES
10 µm
Qui suis-je ?
Autre réflexion :
Nous ne sommes pas assez
savants ni vous, ni moi, pour
tout analyser …
Nous allons jeter, dans cette
étrange « caverne », un simple
regard de profane. Un regard
candide. Le regard de
quelqu un qui ne prétend pas
savoir pourquoi quand on lui a
expliqué comment !
René Barjavel
La faim du tigre, 1966 / … Associations !
Plan du cours du 12 / 09 / 2013
1-Origine de la vie et molécules du vivant
1.1-Les êtres vivants face au monde minéral
- Composition élémentaire de la matière
- Les atomes sont les mêmes
- Pas de force vitale !
- Comment définir un organisme vivant ?
1.2-Organisation structurale hiérarchique
- De la molécule => à l écosystème
- De la cellule => aux molécules
- Principales molécules organiques
- Nbre total de molécules/cellule et constituants
1.3-Caractéristiques fondamentales de la vie
1.4-Bref historique de la Biologie Cellulaire
2-Diversité des formes cellulaires
- Qu est-ce qu une cellule ?
- Des procaryotes aux eucaryotes
- Notion d évolution cellulaire
Ce qu il faut retenir …
Monde minéral / Êtres vivants
Biosphère
Cellules a & v
0,2 % C 10 - 20 %
0,9
H 9
50
O 60 - 80
0,03
N 1 - 5
+ Êtres manifestent des propriétés
étonnantes …
+ Les atomes sont les mêmes => des
molécules « inanimées »
+ Il n existe pas de forces vitales !
« Esprit vitaliste » du XIXème
+ Quelles sont les raisons pour qu un
organisme soit vivant ? =>
La frontière ne passe pas simplement
entre le minéral et l organique car il
est possible de fabriquer les macromolécules => Niveau organisationnel?
En effet, chez les êtres vivants:
-  Nombre de molécules très élevé,
Complexité très grande, haut niveau
d organisation, -  Propriétés dynamiques / physiologie
cellulaire => 3 fonctions essentielles: -
1- Accroissement et renouvellement de la
matière sèche / chaque cellule et individu
2- Reproduction et évolution / Générations 3-Capacités de réaction / réseaux d interactions à toutes les niveaux => Survie !
=> Phénomènes de la vie
+ Nbre de types cellulaires : 200 chez les animaux
et seulement 40 chez les végétaux
+ Utilisation de l énergie de l environnement
+ Métabolisme: transformation des molécules
exogènes, synthèse des macro-molécules /
fonctions, stockage d ATP / liaisons chimiques
+ Homéostasie et auto-assemblage
Plan du cours 2
1-Origine de la vie et molécules du vivant
1.1-Les êtres vivants face au monde minéral
- Composition élémentaire de la matière
- Les atomes sont les mêmes
- Pas de force vitale !
- Comment définir un organisme vivant ?
1.2-Organisation structurale hiérarchique
- De la molécule => à l écosystème
- De la cellule => aux molécules
- Principales molécules organiques
- Nombre total de molécules/cellule et constituants
1.3-Caractéristiques fondamentales de la vie
1.4-Bref historique de la Bio. Cel. et des techniques
2-Diversité des formes cellulaires
- Qu est-ce qu une cellule ?
-Des procaryotes aux eucaryotes
- Notion d évolution cellulaire
Exemple d une Organisation
structurale hiérarchique
ATOMES
Molécule d un pigment :
la chlorophylle
Chloroplaste
Cellules et chloroplastes
Tissus foliaires
Feuilles d un
arbre
Écosystème
forestier
Hiérarchie des ultrastructures cellulaires (p3)
Molécules
Cellule
végétale
Notion de structure et de fonction
Et le tableau en bas de la page 3 …
Composition chimique et
liaisons moléculaires (p4)
•  Cellules = 90% d eau / liaisons H
•  Le reste exprimé en pourcentage de poids
sec est approximativement de:
–  50% protéines
–  15% glucides
–  15% acides nucléiques
–  10% lipides
–  10% autres
Ceci pour la cellule animale …
Ø Les biomolécules et leurs fonctions =>
Macromolécules
Exemple : ARN polymérases …
Ø Les différents types de liaisons
Molécule d eau
Dipolaire
Protéine
Liaisons faibles pouvant s établir
au sein d une macromolécule telle
qu une protéine ou entre
molécules (ex: l eau)
ARN polymérase
(Sillon)
(Rabat)
(Queue
d orientation)
Liaisons chimiques
1- Celles définies entre atomes
- Liaisons covalentes fortes (C-C)
Longueur Force .
(nm)
(kcal/mol)
0,15
90
+ Liaisons ioniques
0,25
3
+ Ponts hydrogènes
0,30
2-3
+ Forces de van der Waals
0,35
1 - 0,1
- Liaisons faibles
+ Forces hydrophobes
2- Exemples de liaisons formant les macromolécules
- Ponts hydrogènes R-H---R et liaisons ioniques
- Ether R-O-R et thioether R-S-R
O
- Ester R-C-O-R
- Phosphodiester R-PO4-R
- Peptidique R-CO-NH-R
- N-glycosidique R-N-CH-R
- Pont disulfure R-S-S-R
R = une
molécule
donnée
Les protéines (p9-12)
•  Molécule de base: l acide
aminé
.
(a.a.)
/ L ou D
•  Classification des 20 aa / R:
ü  Polaire = Hydrophile
Ø  faiblement ionique
Ø  ionique
ü  Apolaire = Hydrophobe
Ø  aliphatique
Ø  cyclique
Rem: La cystéine est impliquée dans les
ponts S=S intra- et inter-moléculaires
Peptides et polypeptides
Ø  Liaison peptidique (amide):
δ-
δ+
La liaison peptidique est polarisée: liaisons H!
Orientation: N term -aa1-aa2 … aan -C term
Les protéines:
des structures I à IV
•  Structure primaire:
Ø Enchaînement des a.a. du polypeptide
•  Structure secondaire:
Ø Repliements dus aux liaisons hydrogènes
intra-moléculaires (CO/HN) des
polypeptides en:
Hélice α
Feuillets plissés β
:O
H:
:C
:N
C-Term
N-Term
Figure: Protéine d actine G avec une
molécule d ATP (jaune). Noter les
structures en feuillet (rouge) et en hélice
alpha (vert).
•  Structure tertiaire III:
Ø  Ponts S=S intra- ou inter- moléculaires
Ø  Interactions avec l environnement
cellulaire: chaperons, modifications
post-traductionelles, etc.
III
IV
•  Structure IV
Ø Association entre sous-unités protéiques,
apports d hèmes (ex: Fe), pontages lipidiques
ou glucidiques (Glyco- et lipoprotéines).
NON! La fonction d une protéine n est pas
entièrement déterminée par sa structure Iaire,
c.a.d par l enchaînement des acides aminés
constitutifs de son polypeptide.
L environnement …
Protéine
Complexe protéique
Notion de
sous-unités
Les Glucides (p5-6)
•  Molécules de base: oses
Aldéhyde ou cétone + fonctions
alcools primaire ou secondaire
Souvent des HEXOSES, Pentoses
cycliques, parfois structures linéaires
+ Stéréo-Isomérie
•  Macromolécules: polyoses ou
polysaccharides
Diversité des liaisons, linéaires ou
branchées
•  Fonctions cellulaires: énergie
métabolique (Glucose, amidon,
glycogène), molécules de l identité
cellulaire (reconnaissance, adhésion,
tissu), structurale (cellulose)
C3
Glucides
= Oses
Ribose
C5
C3
Désoxyribose
C6
Amidon
Glycogène
Cellulose
Rappels sur la représentation des glucides
Projection de Fisher
Représentation de Haworth
La cellulose est un β-1-4 glucane.
Structure cristalline formée de microfibrilles
(2000 monomères) de diamètre (20 à 30 nm).
AMIDON
(végétal)
GLYCOGENE
(animal)
Les Lipides (p7-8)
-  Les acides gras (les huiles) saturés
ou insaturés courants en C16, C18
-  Les triglycérides (le beurre)
Ester d acides gras et du glycérol
⇒ Fonction de réserve énergétique
•  Les phospholipides
(Phosphatidylcholine) Ester d acides
gras et du glycérol + Phosphatidyl-X
⇒ Fonction structurale (membrane)
•  Les stéroïdes (cholestérol)
=> Fonctions structurale et hormonale
Propriété d auto-assemblage
Amphiphilie => MICELLE
Stérol
Liposomes
Les acides nucléiques (p13-15)
•  Bases = A, G / T, C / U
•  Nucléosides =
Dans l ARN, UMP
remplace TMP
base + ribose (ARN)
base + 2-désoxyribose (ADN)
•  Nucléotide =
nucléoside + phosphate(s)
Ø  Les bases sont polarisées: liaisons H!
AMP
ADN P
GMP
ARN
5
4
3
1
2
TMP
2 liaisons H
P
CMP
Guanosine 3 liaisons H Cytidine
Polynucléotides
3
5
5
3
L appariement (ou hybridation) dû
aux liaisons hydrogènes impose l
antiparallélisme des 2 chaînes de l ADN.
Plan du cours du 24 / 09 / 05
1-Origine de la vie et molécules du vivant
1.1-Les êtres vivants face au monde minéral
- Composition élémentaire de la matière
- Les atomes sont les mêmes
- Pas de force vitale !
- Comment définir un organisme vivant ?
1.2-Organisation structurale hiérarchique
- De la molécule => à l écosystème
- De la cellule => aux molécules
- Principales molécules organiques
- Nombre total de molécules/cellule et constituant
1.3-Caractéristiques fondamentales de la vie
1.4-Bref historique de la Bio Cell et des
techniques
2-Diversité des formes cellulaires
- Qu est-ce qu une cellule ?
- Des procaryotes aux eucaryotes
- Notion d évolution cellulaire
Cellule procaryote
Cellules eucaryotes
p18
Tableau: Nombre de molécules par
type cellulaire et par constituant
B
H
EAU
IONS i
ARN
Protéines Lipides
4 1010
2,5 108
4,6 105
3,6 106
2,5 107
10
4,2 1013
2,4 1011
1,5 108
2,5 109
2,5 10 X 1000
B= Bactérie
H= Hépatocytes d homme
Bref historique de la biologie
cellulaire et des techniques d analyse
- 1830 : Formulation de la théorie cellulaire par
Dutrochet, Schleidens, Schawnn
-1850 : Formulation de la continuité cellulaire par
Virchow / Division !
-1900 : Description des principales structures
composant la cellule et préparation des premiers
extraits acellulaires de levure par Büchner
-1920 : Développement
cytochimie / coloration
des
techniques
de
-1940 : Utilisation des isotopes / Études
métaboliques et premières images en MEB et
MET par von Ardenne et Porter (com. en 1965)
-1950 : Mise au point des techniques de
fractionnement cellulaire et de purification des
organites par Claude et Brachet
-1960 : Immunolocalisation; 1970; Hybridation in
situ; 1987 : Utilisation de la microscopie confocale
(inventée par Minski en 1961)
Hybridation in situ de l ADN
Plan du cours
1-Origine de la vie et molécules du vivant
1.1-Les êtres vivants face au monde minéral
- Composition élémentaire de la matière
- Les atomes sont les mêmes
- Pas de force vitale !
-Comment définir un organisme vivant ?
1.2-Organisation structurale hiérarchique
- De la molécule => à l écosystème
- De la cellule => aux molécules
- Principales molécules organiques
- Nombre total de molécules/cellule et constituant
1.3-Caractéristiques fondamentales de la vie
1.4-Bref historique de la Bio Cell et des techniques
2-Diversité des formes cellulaires
- Qu est-ce qu une cellule ?
- Des procaryotes aux eucaryotes
- Notion d évolution cellulaire
La cellule: base de l unité et de la
diversité du monde vivant (p17)
Théorie cellulaire (1838, Schleidens & Schwann)
et théorie de l évolution (Darwin, 1809-1882)
Ø  Toute forme vivante est faite de cellules
Ø  Toute cellule dérive d une cellule pré-existante
Unité et diversité structurale
C est un volume de cytoplasme entouré par une
membrane cytoplasmique et contenant un noyau
et différentes structures. Mais … différenciation
Unité et diversité fonctionnelle
C est la plus petite organisation moléculaire qui
possède les propriétés du vivant: contrôle des
échanges, métabolisme, croissance et
multiplication. Mais … différenciation
La biologie cellulaire étudie l organisation
et le fonctionnement de la cellule.
Qu est-ce qu une cellule ?
Définition (p17)
*La cellule est la plus petite unité capable de
manifester les propriétés du vivant: elle synthétise
l'ensemble de ses constituants en utilisant les
éléments du milieu extracellulaire, elle croît et se
multiplie.
*La cellule est limitée par la membrane
plasmique. La membrane plasmique est faite d'une
bi-couche de phospholipides peuplée de protéines
glycosylées. Il s'agit d'une barrière dont la
perméabilité est extrêmement sélective.
*La cellule renferme également un certain nombre
d'organites.
*La cellule subit un cycle où alternent deux
grandes phases, la phase d'activité fonctionnelle ou
interphase et la phase de multiplication ou mitose.
Membrane plasmique
Cellules eucaryotes
PLURICELLULAIRES=Métazoaires
•  Animaux
•  Végétaux
•  Champignons
•  Algues
UNICELLULAIRE
•  Levures
•  Protistes
•  Algues
Formes de cellules
Bactéries
Pro-érythrocyte
Exoderme de racine
Paramécie
La cellule eucaryote
Nous distinguons:
- les Protozoaires formés par une seule cellule
libre, souvent capables de se mouvoir (amibes,
paramécies, euglènes, levures)
Une Paramécie (Ciliés) (x 250)
- les Métazoaires (animaux, plantes) dont les
cellules sont groupées en tissus épithéliaux,
musculaires, conjonctifs, de soutien [cartilagineux,
osseux], nerveux chez les animaux
Evolution et tailles des cellules
-1,5 Milliards
d années
- 3,5 Milliards
d années
Procaryotes ⇒ Pas d organites cellulaires, pas de noyau.
Origines de la vie cellulaire
On suppose que la vie existait dès
-3,8 Md années, âge des plus
anciennes traces de molécules
organiques, et les premières cellules
ayant laissé des vestiges fossiles sont
datées de -3,45 Md années
(cyanobactéries
découvertes en
Australie occidentale).
Précipités de calcite dûs au métabolisme bactérien
Origine endosymbiotique
des eucaryotes (p19)
Cellule animale: bactérie pourpre …
Cellule végétale: bactérie bleue (cyanobactérie) …
Cellule animale (schéma)
Centrioles
Cellule végétale (MET)
Le jeu des
7 différences
(p18)
LE CYTOPLASME
HYALOPLASME
MORPHOPLASME CYTOSOL CYTOSQUELETTE
- Solution
- Réseau
aqueuse
microtrabéculaire
- pH = 7
- Filaments
- Homogène
protéiques
- Molécules
solubles
ORGANITES
- Noyau
Réticulum
endoplasmique
- Appareil de Golgi
- Vacuoles
Pexoxysomes
Mitochondries
Chloroplastes
VOIES
MÉTABOLIQUES
Mitochondrie
Hyaloplasme
Hyaloplasme
Chloroplaste
La problématique
1.  La théorie de la génération
spontanée est caduque (Pasteur
1860) et Darwin impose l idée
d un ancêtre commun de forme
cellulaire simple
2.  La théorie de l ÉVOLUTION veut
que le premier organisme vivant
se soit développé à partir de la
matière inanimée. Au fur et à
mesure qu'il s'est reproduit, il
s'est transformé en des
organismes différents, jusqu'à
donner toutes les formes de vies
sur terre.
3.  L'émergence de la vie cellulaire
n a laissé aucune trace.
Les 1ères macromolécules
(Last Universal Common Ancestor)
?
Les protéines sont indispensables pour
la réplication et l'expression des gènes
(ADN) … Et L ADN est nécessaire
pour la biosynthèse des protéines.
Origines des
molécules de la vie
Divers schémas réactionnels aboutissent à
la formation de monomères et
polymères biologiques à partir de
précurseurs plus ou moins simples.
Ils postulent que la genèse a eu lieu dans
des environnements extrêmes :
1.  Composants de l atmosphère primitive
dissous dans l eau (CH4, NH3, CO2, SH2,
H2) + Photons, électricité = Chimie
prébiotique où se forme le « CHON » !
(Oparin/Haldane ~ 1890)
2.  Au fond des océans près des sources
hydro-thermales
3.  Provenir de l espace
Expérience de S. Miller …
=> Exobiologie
Les expériences de S. Miller
(1953)
+ Production de l acide cyanidrique HCN
en présence d NH3
=> Adénine, acides aminés, sucres
Chimie prébiotique!
La théorie de l ARN
On suppose qu'un "monde d'ARN", c'est à
dire une vie utilisant les ARN à la fois comme
matériel génétique et comme catalyseurs, a
précédé l'apparition de cellules comportant
de l'ADN et des protéines.
Pour:
•  ARN
Catalytiques
•  Virus à ARN
Contre:
•  « Fragiles »
•  Non autoréplicatif
Ce qu il faut retenir …
Culture générale
- Apport de la science / Société
- Missions de l Université / Biologie à Montpellier
- Savoir définir un animal / Végétal
- Organisation structurale hiérarchisée du vivant
- Processus d auto-assemblage des macromolécules
- Théorie cellulaire endosymbiotique
Examen de fin de semestre
-Distinguer un procaryote d un eucaryote
-Distinguer cellule animale / cellule végétale
-Structure et fonctions des organites
-Structure, fonctions et propriétés des molécules
-Fonctions et liaisons chimiques / édifices
macromoléculaires
-Interactions entre macromolécules (ADN-Protéine,
protéine-protéine, ARN-protéine, ARN-ARN)
-Intégration des structures et des fonctions / cellule
Frontière biologique p21
=> CONCEPTS Échanges
Communication
Début des TP : Le x octobre 2012
Petit matériel pour TP
Matériel de dessin :
- un crayon graphite HB, une gomme, un
double-décimètre
- des feuilles de dessin blanches non
quadrillées
Matériel à dissection : vendu à la corpo
voir affichage salles I/J Bât 4 ou Galtier,
Bastide…
- une pince fine (ex : AA)
- une paire de ciseaux fins
- une aiguille montée ou une aiguille
lancéolée ou des épingles
- un scalpel
- un chiffon en coton
(