Cell Biology: Structure, Function, Transport

La Cellule : L'Unité Fondamentale du Vivant

Une cellule est la plus petite unité vivante capable de se reproduire de façon autonome, mesurant généralement quelques microns. Il existe deux grands types : les procaryotes (sans noyau défini) et les eucaryotes (avec un noyau).

Typologie des Cellules

Cellule Procaryote

• Généralités :

  • ADN libre dans le cytoplasme (en forme de filament).

  • Toujours unicellulaires.

  • Exemple principal : les bactéries.

  • Taille : 1 à 10 µm.

  • Division par scissiparité.

  • Peuvent posséder des flagelles et des pili pour le déplacement.

• Structure :

  • Enveloppe cellulaire : Composée d'une membrane plasmique et d'une paroi cellulaire (contenant du peptidoglycane). Certaines ont une couche supplémentaire appelée capsule.

  • Nucléoïde : Région diffuse où se trouve le génome (ADN).

  • Cytosol : Fluide gélatineux contenant des ribosomes mais aucun autre organite membranaire.

  • Plasmides : Éléments extrachromosomiques, circulaires, capables de réplication autonome (ex : gènes de résistance aux antibiotiques).

Cellule Eucaryote

• Généralités :

  • Organismes multicellulaires (animaux, plantes, champignons) et quelques unicellulaires (algues, levures).

  • Taille : 10 à 100 µm.

  • Les cellules végétales sont capables de photosynthèse grâce aux chloroplastes.

• Structure :

  • Membrane plasmique : Délimite la cellule. Recouverte d'une paroi chez les végétaux.

  • Cytoplasme : Contient le noyau et les organites.

  • Noyau : Contient l'information génétique (ADN).

  • Cytosquelette : Donne la forme à la cellule et organise les organites. Composé de filaments d'actine, filaments intermédiaires, microtubules.

  • Ribosomes : Assemblent les protéines à partir de l'ARN.

  • Vacuole : Présente surtout chez les cellules végétales (très réduites chez les animaux).

  • Organites spécifiques :

    • Mitochondries : production d'ATP (énergie cellulaire).

    • Réticulum endoplasmique (RE) : synthèse et maturation de protéines et lipides.

    • Appareil de Golgi : transit et réservoir de protéines et lipides, maturation.

    • Lysosomes et peroxysomes : dégradation et détoxification.

    • Chloroplastes (uniquement végétaux) : photosynthèse.

Les Structures Cellulaires

Membrane Plasmique

Membrane qui sépare le contenu intracellulaire du milieu extracellulaire.

• Anatomie :

  • Bicouche phospholipidique : phospholipides amphiphiles (tête hydrophile, queues hydrophobes).

  • Protéines membranaires : canaux et pompes pour le transport.

  • Glucides : associés aux protéines/lipides (glycocalyx).

  • Chez les végétaux et procaryotes, couverte d'une paroi cellulaire (rigidité, forme).

  • Plasmodesme : tunnels entre cellules végétales via la paroi.

• Fonctions :

  • Protection et séparation des milieux intra et extracellulaires.

  • Perméabilité sélective : régule le passage des substances.

    • Passage libre : eau, alcool, gaz.

    • Passage limité/impossible : ions, grosses protéines, glucides.

  • Adhésion intercellulaire via jonctions protéiques.

  • Transfert d'information et reconnaissance cellulaire.

• Échanges Transmembranaires :

  Gérés selon la taille des particules et leur liposolubilité.

  • Définitions clés :

    • Soluté : Substance dissoute.

    • Solvant : Substance liquide qui dissout.

    • Gradient de concentration : Différence de concentration d'un soluté de part et d'autre d'une membrane.

    • Hydrophile : Soluble dans l'eau.

    • Lipophile : Soluble dans les graisses.

    • Amphiphile : Possède une partie hydrophile et une hydrophobe.

    • Milieux cellulaires : Isotonique (concentration égale), hypotonique (concentration inférieure), hypertonique (concentration supérieure).

  • Transport Passif :

    Sans dépense d'énergie, suit le gradient de concentration.

    1. Diffusion simple :

       • Transfert de solutés du milieu le plus concentré vers le moins concentré.

       • Molécules hydrophobes ou petites molécules hydrophiles (gaz, stérols, alcool).

       • Ex : O2 vers les cellules, CO2 vers le sang.

    2. Diffusion facilitée :

       • Transfert de solutés via des protéines de transport.

       • Toujours du milieu le plus concentré vers le moins concentré.

       • Peut utiliser des protéines canaux (très spécifiques, rapides, régulées, ex : aquaporines) ou des transporteurs (changent de forme, moins rapides).

    3. Osmose :

       • Transfert de solvant (eau) du milieu hypotonique vers hypertonique.

       • Se produit quand le soluté ne peut pas traverser la membrane.

       • Pression osmotique : la pression minimale pour empêcher le passage de l'eau.

  • Transport Actif :

    Nécessite une dépense d'énergie (ATP).

    1. Protéines membranaires :

       • Transfert de solutés à l'encontre du gradient de concentration (moins concentré vers plus concentré).

       • Les protéines ont une fonction enzymatique pour hydrolyser l'ATP.

       • Ex : pompe Na+/K+ (essentielle pour contraction musculaire, influx nerveux).

    2. Exocytose :

       • Libération de molécules issues de la cellule vers l'extérieur par fusion de vésicules avec la membrane plasmique.

    3. Endocytose :

       • Formation de vésicules ou vacuoles pour internaliser des substances externes.

         • Pinocytose : Pour substances liquides ou petites molécules ionisées. Toutes les cellules la réalisent.

         • Phagocytose : Pour particules solides ou de grosses tailles.

Cytoplasme

Matrice fluide à l'intérieur de la cellule, occupant ~50% du volume.

• Composition : Cytosol, cytosquelette, organites.

• Cytosol : Fraction semi-liquide (eau, glucides, lipides, protéines) où baignent les organites.

• Cytosquelette : Filaments de protéines (actine, tubuline) pour la structure interne.

• Mitochondries : Centrales énergétiques (production d'ATP via bêta-oxydation, cycle de Krebs, chaîne respiratoire). Se reproduisent par réplication, ont leur propre ADN.

• Réticulum Endoplasmique (RE) : Extension de la membrane nucléaire, système de communication intracellulaire.

  • REG (granuleux) : avec ribosomes, production de protéines destinées à la membrane ou à l'exportation.

  • REL (lisse) : synthèse de molécules non protéiques (phospholipides, hormones stéroïdes), métabolisme des lipides, stockage du calcium.

• Appareil de Golgi : Maturation finale des protéines du RE, stockage et élimination des produits de synthèse. Système membranaire de saccules aplatis.

• Ribosomes : Granulations d'ARN et protéines, libres ou attachés au REG. Synthèse des protéines.

• Lysosomes et Peroxysomes :

  • Lysosomes : contiennent des enzymes digestives (hydrolases), dégradent les éléments endommagés, particules alimentaires, virus, bactéries.

  • Peroxysomes : petits sacs avec enzymes (oxydases, catalases), détoxifient des substances nocives, oxydent acides gras, neutralisent les radicaux libres.

• Centrosome : Spécifique aux cellules animales (composé de centrioles). Centre organisateur des microtubules, essentiel pour la division cellulaire (fuseau mitotique). Chez les végétaux, centre organisateur diffus.

• Chloroplastes : Présents dans les cellules végétales photosynthétiques. Captent la lumière pour la photosynthèse, contiennent de la chlorophylle et de l'ADN.

• Vacuoles : Essentielles dans les cellules végétales (jusqu'à 90% du poids). Contiennent eau, ions, glucides, pigments. Rôle protecteur, défense, stockage, maintien de l'équilibre hydrique.

Noyau

Élément des cellules eucaryotes contenant le matériel génétique.

• Contient les chromosomes.

• Lieu de la réplication et transcription de l'ADN.

• Composition :

  • Enveloppe nucléaire : double membrane isolant et protégeant l'ADN.

  • Nucléole : début de la production et assemblage des ribosomes.

  • Chromatine : forme compactée de l'ADN.