Chap 1 : Cellule, Virus, Bactéries

La Faculté de Médecine et de Pharmacie de Tanger de l'Université AbdelmalekEssaadi propose le module de Biologie Cellulaire (M111) pourl'année universitaire 2025-2026, coordonné par le Pr. MOUSSAID Fatima Zahrae et le Pr. Chahboune Rajaa.

Objectifs Généraux du Module

• Identifier la structure cellulaire et les organites intracellulaires.

• Comprendre les modes de sécrétion, d'excrétion et de communication cellulaire.

• Explorer la structure du noyau et ses actions physiologiques.

• Appréhender les applications biomédicales de la biologie cellulaire etles notions fondamentales moléculaires du noyau cellulaire.

Plan du Module de Biologie Cellulaire

1. Organisation générale de la cellule

2. Composition chimique de la cellule

3. Membrane plasmique

4. Transport membranaire

5. Cytosol et cytosquelette

6. Mitochondrie

7. Système endomembranaire

8. Peroxysomes

9. Noyau et cycle cellulaire

10. Mort cellulaire

Chapitre 1 : Organisation Générale de la Cellule

L'objectif est de décrire les différents éléments de la cellule eucaryote et procaryote, ainsi que les constituants du cytoplasme et du cytosol.

Qu'est-ce que la Biologie ?

La biologie est une discipline scientifique qui étudie l'ensemble des êtres vivants, l'environnement dans lequel les différents organismes évoluent et l'évolution des organismes.

Qu'est-ce que la Biologie Cellulaire ?

• La Biologie Cellulaire ou Cytologie est une branche de la biologie qui étudie la structure, la fonction et le comportement des cellules.

• C'est la science qui étudie les unités structurales et fonctionnelles communes à tous les êtres vivants.

• Ellese penche sur les processus vitaux qui s'y déroulent, ainsi que les mécanismes permettant :

  • Leur survie (reproduction, communication, métabolisme, homéostasie).

  • Leur mort, programmée génétiquement (apoptose) ou résultant d'une agression (nécrose).

Qu'est-ce qu'une Cellule ?

«Unité de vie de base constituant tous les organismes vivants»

• Une cellule représente l'unité fondamentale de tout être vivant.

• C'est la plus petite entité vivante capable de vivre de manière autonome et en interaction constante avec son milieu.

• Une entité microscopique.

• Caractéristiques :

  1. Capacité à se maintenir et à croître, à fonctionner grâce à son métabolisme.

  2. Échanger de la matière avec son milieu grâce à des systèmes de régulation.

  3. Se reproduire grâce à son matériel génétique.

La cellule est l'unité de base structurale, métabolique, fonctionnelle et reproductrice constituant tout ou partie d'un être vivant, à l'exception des virus.

La plupart des organismes vivants sont composés d'une seule cellule. Les organismes complexes comme l'être humain sont composés de nombreuses cellules différenciées, permettant des fonctions différentes. L'observation microscopique des cellules a mis en évidence de nombreux organites intracellulaires (noyau, réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, mitochondries, etc.), délimités par des membranes, formant un système complexe de compartimentsoù se déroulent des réactions biochimiques définies.

L'Organisation du Vivant

La cellule est la plus petite entité vivante capable de vivre de manière autonome et en interaction constante avec son milieu. On compte plus de 200 types différents de cellules dans le corpshumain. La visualisation des constituants biologiques, très petits, nécessite l'aide de la microscopie.

Un Peu d'Histoire

La découverte de l'organisation cellulaire est étroitement liée aux progrès des instruments d'optique. La découverte du monde invisible fut réalisée par AntonyVan Leeuwenhoek (vers 1660) et Robert Hooke (vers 1665) grâce à des microscopes.

Théorie Cellulaire (Schleiden - Schwann - Virchow)

Les travaux de Mathias Schleidenet Theodor Schwann (1838-1839) ont conduit à l'émergence de la théorie cellulaire, basée sur deux principes fondamentaux :

1. La cellule est la plus petite entité vivante.

2. Tout être vivant estcomposé de cellules.

Rudolph Virchow (1855) a énoncé le troisième principe :

3. Toute cellule provient d'une autre cellule (omnis cellula ex cellula).

Les Premiers Scientifiques Contributeurs

Louis Pasteur (1822-1895), à l'époque pasteurienne, a contribué à la chute de la théorie de la génération spontanée, renforçant la théorie cellulaire.

Organismes Unicellulaires/ Pluricellulaires

• Les organismes vivants sont constitués soit d'une cellule (organismes unicellulaires), soit d'un agrégat de cellules (organismes pluricellulaires).

• Exemples d'organismes unicellulaires :

  • Paramécie (eucaryote) : taille de 100 à 300 m, vit isolée en eau douce, utilise des cils pour se déplacer et se nourrir.

• Exemples d'organismes pluricellulaires :

  • Caenorhabditis elegans : un ver d'environ 1 mm de longueur, non-parasitaire, composé d'environ 1000 cellules formant divers organes.

Le Monde Vivant

La plupart des scientifiques divisent les organismes vivants en trois domaines :

• Les Bacteria (les bactéries)

• Les Archaea (les archées)

• Les Eucarya (tousles organismes eucaryotes)

Analyse du Gène Ribosomique 16S (Carl Woese, 1987)

La classification actuelle des organismes est basée sur la phylogénie des séquences du gène ribosomique 16S. Ce gène est pertinent car :

• Il est présent chez tous les organismes.

• Sa fonction est constante.

• Sa composition est hautement conservée.

• C'est un ARN 16Sde taille suffisante avec des régions très variables.

L'amplification de la région 16S de l'ARNr a montré une bande unique de 1500 pb par électrophorèse chez tous les organismes étudiés. Les séquences sont déposées dans la banque dedonnées GenBank (www.ncbi.nlm.nih.gov).

Les Deux Grands Types de Cellules

• Eucaryote : du grec eu pour vrai et caryote pour noyau. Possède un vrai noyau.

• Procaryote : du grec pro pour avant et caryote pour noyau. Ne possède pas de noyau défini.

Les Procaryotes

• Organismes unicellulaires microscopiques, plus petits et plus simples que les eucaryotes.

• Possèdent uneparoi cellulaire rigide.

• N'ont pas de compartiments membranaires internes distincts.

• Se multiplient rapidement et sont capables de vivre partout.

• Leur matériel génétique (nucléoïde) est dispersé dans le cytosol, sans véritable noyau.

L'ADN des Procaryotes

• Beaucoup moins riches en matériel génétique que les eucaryotes.

• L'ADN bactérien est une double hélice d'ADN circulaire associée à des protéines.

• L'ensemble ADN-protéinesest appelé nucléoïde et est directement en contact avec le cytoplasme.

Les Plasmides

• Molécules d'ADN supplémentaires, circulaires et plus petites que l'ADN chromosomique.

• Représentent environ 0,1 à 2%du chromosome bactérien.

• Leur nombre par bactérie varie de 1 à plusieurs dizaines.

Fonctions des Plasmides

Les plasmides peuvent conférer de nombreuses propriétés à la cellule procaryote :

1. Résistance aux antibiotiques et aux métaux lourds.

2. Acquisition de pouvoir pathogène en codant pour des toxines.

3. Acquisition de voies métaboliques particulières (ex: utilisation du phénol).

2.1. Bacteria

• Procaryotes, habituellement unicellulaires, de structure simple.

• Abondantes dans le sol, l'eau, l'air, la peau, la bouche, les intestins.

• Bien que certaines provoquent des maladies, beaucoup ont des rôles bénéfiques.

• Regroupent deux embranchements majeurs : les Bactéries et les Cyanobactéries.

Définition des Bactéries

• Micro-organismes microscopiques unicellulaires procaryotes.

• Sans noyau, d'organisation simple(génome à un seul chromosome).

• Leur taille varie de 1 à 10 m.

• Ubiquistes (présentes dans tous les milieux).

• Êtres unicellulaires autonomes (présence desystèmes enzymatiques de biosynthèse).

• Taille variable : la plupart mesurent de 0,1 à 4 m de large et 0,2 à 50 m de long. Thiomargarita namibiensis, avec 0,75mm, est visible à l'œil nu.

• Se reproduisent par fission binaire (ou scissiparité), un processus de division asexuée.

• Possèdent une paroi rigide contenant du peptidoglycane.

Structure des Bactéries

• Enveloppe bactérienne : peut être adhérente (pili, protéines de surface, flagelle) et comporter une capsule. Rôle de perméabilité (nutrition) et de protection (contre les toxines et lesantibiotiques).

• La bactérie est une unité cellulaire sans membrane nucléaire, mitochondrie, ou appareil de Golgi.

• Taille variable, assurant un cycle biochimique à multiplication importante.

• Températures de croissance : certaines peuvent croître à 0°C, d'autres. La majorité croît entre ces extrêmes.

Exemples de Bactéries Responsables de Maladies chez l'Homme

• Syphilis : infection sexuellement transmissible causée par Treponema pallidum (Tréponème pâle).Cause des chancres, puis des atteintes viscérales et nerveuses.

• Escherichia coli : normalement inoffensif dans l'estomac humain, mais des souches toxiques peuvent contaminer les viandes crues et provoquer des maladies graves.

• Chlamydia trachomatis : responsable de la chlamydia, la maladie sexuellement transmissible la plus courante.

• Borrelia burgdorferi (spirochètes) : agent causal de la maladie de Lyme, transmise par les tiques.

2.2. Cyanobactéries

• Procaryotes photosynthétiques contenant de la chlorophylle A (verte) et d'autres pigments comme la phycocyanine (bleu-vert), qui permettent la photosynthèse.

• Unicellulaires, retrouvées isolées ou enfilaments (ramifiés ou non).

• Présence de replis membranaires appelés thylakoïdes, sièges de la photosynthèse.

• Également connues sous le nom d'algues bleues ou cyanophytes.

• Réalisent une photosynthèse de type eucaryote.

• Exemple : La spiruline (Arthrospira platensis) est une cyanobactérie utilisée comme complément alimentaire.

• Certaines espèces (environ 200) produisent des toxines :

  • Hépatotoxines (microcystines, nodularines, cylindrospermines).

  • Neurotoxines.

  • Dermatotoxines (moins dangereuses).

  • Endotoxines.

  • Plusieurs autres toxines non identifiées.

2.3. Archaea

• Comme les bactéries, elles sont unicellulaires et se présentent sous diverses formes (cocci, bacilles, irrégulières).

• Procaryotes se distinguant des Bacteria par des séquences particulières de leurs ARNr.

• Dépourvues de peptidoglycane, elles ont des lipides membranaires particuliers.

• De nombreuses archées vivent dans des environnements extrêmes (hyperthermophiles, halophiles, acidophiles, alcalophiles) comme les sources géothermales ou les cheminées hydrothermales.

Les Eucaryotes

• Organismes uni- ou pluricellulaires.

• La cellule eucaryote possède des compartiments internes spécialisés appelés organites, qui assurent différentes fonctions.

• Les cellules eucaryotes sont plus grandes et beaucoup plus complexes que les cellules procaryotes.

• Elles subissent la différenciation cellulaire.

Types de Cellules Eucaryotes

• Les cellules animales.

• Les cellules végétales.

Comparaison Cellule Animale vs. Cellule Végétale

• Les cellules végétales possèdent des organites absents chez les animaux : paroi cellulaire, chloroplastes, grandes vacuoles.

• Les cellulesvégétales sont généralement plus grandes, de forme fixe et rectangulaire, tandis que les cellules animales sont plus petites, irrégulières et rondes.

• Le noyau est présent dans les deux, mais excentré dans la cellule végétale et central dans la cellule animale.

• Le stockage de l'énergie sefait grâce aux chloroplastes dans les cellules végétales, absents chez les animaux.

Quelques Différences Importantes entre Eucaryotes et Procaryotes

Différenciation Cellulaire

• Les cellules d'un individu sont issues d'une cellule-œuf par mitoses successives, elles contiennent donc lesmêmes gènes. Pourtant, dans l'espèce humaine, on compte 250 types cellulaires différents. Un être humain contient environ 10 billions de cellules qui subissent la différenciation cellulaire.

• La Différenciation cellulaire est le processus par lequel une cellule peu ou pas différenciéeacquiert les caractéristiques d'un type cellulaire sur le plan morphologique et fonctionnel.

• Les cellules différenciées sont caractérisées par une structure cellulaire particulière (épithéliale, musculaire, neurone), une production spécifique (hormone, enzymes, hémoglobine) et une fonction cellulaire spécifique (contraction musculaire,transport de gaz, communication nerveuse).

• L'expression de gènes spécifiques explique la différence entre les cellules malgré le même génome.

• Une cellule capable de se différencier peut être :

  • Totipotente : en tous les types cellulairesd'un organisme (zygote, très jeunes cellules embryonnaires).

  • Pluripotente : en plusieurs types de cellules (cellules souches).

  • Spécialisée : cellules souches hématopoïétiques, de l'épiderme, etc.

• La compréhension de la différenciation cellulaire est cruciale en embryologie, médecine régénérative, biologie du cancer et génétique du développement.

Forme des Cellules

La forme des cellules est souvent adaptée à leur fonction :

• Les neurones ont une structure ramifiée et un long prolongement axonal pour la transmission des excitations à distance.

• Les cellules musculaires ont une forme fusiforme allongée dans le sens de la contraction.

• Les hématies (globules rouges) ont une forme lenticulaire pour un meilleur déplacement.

Dimension des Cellules

• La plupart des cellules sont trop petites pour être observées à l'œil nu.

• Une cellule humaine mesure en moyenne 20 m.

Dynamique des Cellules

• Les cellules peuvent se déplacer en émettant des pseudopodes (du grec «pseudo» pour faux et «podia» pour pieds).

• Elles peuvent s'étirer et se scinder (division cellulaire).

• Le déplacement des organites cellulaires se fait grâce au mouvement de cyclose (circulation du cytoplasme).

• Les cellules peuvent s'invaginer lors de la phagocytose.

Les Virus

Virus : un agent infectieuxde petite taille : 20 à 300 nm

• Le mot latin virus signifie poison, toxine.

• Invisible en microscopie optique, visible en microscope électronique.

Introduction Historique

• Tobacco Mosaic Virus (TMV) : premier virus phytopathogène, découvert par Adolf Mayer, Dimitri Ivanofsky et Martinus Beijerinck à la fin des années 1880. Provoque un blocage de végétation, nécrose systémique.

• Le TMV (N. tabacum) a l'apparence d'un bâtonnet de 300 nm de long et 18 nm de diamètre. Il est recouvert d'une capside protéique qui renferme un matériel génétique d'ARN simple brin. La capside estcomposée de 2130 molécules de protéines de revêtement assemblées en spirale.

• Premier virus animal : celui de la fièvre aphteuse, décrit par Loeffler et Frosch en 1898. Suivi du virus de la fièvre jaune par Walter Reed en 1901.

• En 1915, Frederick Twort et Félix d'Herelle découvrent les bactériophages (virus infectant les bactéries).

Caractéristiques Générales des Virus

• Même les plus grands virus sont difficilement visibles en microscopie photonique ; ils nécessitent des microscopes électroniques.

• L'invention du microscope électronique en 1932 par Helmuth Ruska a apporté des données décisives sur leur morphologie.

• Définition d'André Lwoff (1962) : « Ce sont des entités biologiques caractérisées par une structure nucléoprotéique simple et des propriétés fonctionnelles particulières. »

• Agents pathogènes, ils ne métabolisent pas l'énergie et dépendent entièrement de la cellulehôte pour se reproduire. Ils se reproduisent à un rythme effréné uniquement à l'intérieur des cellules de leurs hôtes vivants.

Taille des Virus

• Agents infectieux de très petite taille, de 20 à 300 nm dediamètre (100 fois plus petits qu'une bactérie).

Structure des Virus

• Structure spécifique acellulaire avec organisation simple.

• Dépourvus d'organites cellulaires et de cytoplasme.

• La plupart contiennent de l'ADN ou de l'ARN, mais pas les deux simultanément.

• Structure de base :

  • Le matériel génétique.

  • Une structure protéique, la capside, qui entoure le matériel génétique.

  • Plusieurs virus sont entourés d'une enveloppe additionnelle (protéines, lipides, glycoprotéines).

Classification des Virus

Repose sur plusieurs critères :

• Selonla nature du matériel génétique :

  • Virus à ADN double brin.

  • Virus à ADN simple brin.

  • Virus à ARN double brin.

  • Virus à ARN simple brin.

• Selon la capside (symétrie et particularités).

• Selon la présence ou l'absence d'une enveloppe.

Réplication Virale

• Le virus se multiplie à partir de son seul acide nucléique (son génome) par réplication ; il ne se divise pas commeles bactéries.

• Un cycle de reproduction complet dure de quelques heures (rapide, ex: Influenzavirus) à quelques jours (lent, ex: Cytomégalovirus).

• Le cycle viral correspond à toutes les étapes pour produire de nouvelles particules virales (virions).

• Aucun virus ne peut se reproduire en dehors d'une cellule vivante. La machinerie énergétique et les précurseurs moléculaires proviennent de la cellule hôte.

Pathogénicité Virale

• Parasites intracellulaires obligatoires :ne peuvent se multiplier qu'à l'intérieur d'une cellule hôte (eucaryotes, bactéries, archées). Les virus infectent les organismes des trois domaines du vivant. Plus de 200 virus peuvent infecter l'Homme.

• Spécificité d'hôte : contrôlée par un récepteur à la surface de la cellule, auquel correspondent des structures de surface du virus. Cette reconnaissance permet au virus de pénétrer et d'infecter la cellule hôte.

Différence entre Virus et Bactéries

Les antibiotiques sont efficaces contre les bactéries mais pascontre les virus, car les virus n'ont pas de métabolisme propre à inhiber.

Bactériophage

• Virus qui infectent les bactéries.

• Injectent leur ADN dans la bactérie.

• Multiplication :

  • Cycle lytique : l'ADN viral se trouve libre dans le cytoplasme de la cellule hôte, dirige la production de nouveaux virus jusqu'à la lyse et la destruction de la cellule.

  • Cycle lysogénique : l'ADN viral s'intègre dans l'ADN chromosomique de l'hôte et se multiplie avec lui. Le bactériophage peut rester sous cette forme ou entrer dans un cycle lytique.

Les Rétrovirus

• Virus globulaires enveloppés, d'un diamètre de 110 à 125 nm, très répandus.

• Causes de cancers, d'immunodéficiences (dont le SIDA) et de dégénérescences du système nerveux central.

• Parasites vrais, leur génome s'intègre sous forme d'ADN proviral (provirus) dans l'ADN de la cellule hôte, s'exprimant pendant toute la vie active de la cellule.

Virus du SIDA (VIH)

• Virus à ARN (deux molécules d'ARN simple brin). Les virus à ARN sont connus sousle nom de rétrovirus.

• Infecte les cellules du système immunitaire, les lymphocytes T CD4+.

Virus de la Grippe (Influenzavirus)

• Virus à ARN, infectant les cellules de l'épithélium respiratoire.

• Provoque fièvre, courbatures, inflammation des voies respiratoires. Dans les cas sérieux, entraîne des complications (pneumonie bactérienne, déshydratation).

Coronavirus (SARS-CoV-2)

• Maladie : Covid-19(Coronavirus Disease-19).

• Virus à ARN monocaténaire.

• Constitués d'une capside recouverte d'une enveloppe, mesurent 80 à 150 nm de diamètre.

• L'ARN des coronavirus (26 à 32kilobases) se réplique dans le cytoplasme de la cellule infectée.

• Nommé ainsi en raison de l'apparence de ses particules virales avec des excroissances évoquant une couronne.

• Responsable d'infections digestives et respiratoires chez l'Homme etl'animal.

Virus Ebola

• Virus à ARN monocaténaire.

Les Adénovirus

• Virus à ADN.

• Pouvoir pathogène sur l'appareil respiratoire, les yeux, les intestins, l'appareil urinaire.

• Responsables de pharyngites, pneumonies, conjonctivites, infections urinaires. Peuvent causer des symptômes similaires à la grippe chez les enfants (mal de gorge, écoulement nasal, toux).

Récapitulatif - Différences entre Virus et Bactéries

Points Clés sur les Virus

• Les virus se composent d'un nombre restreint d'éléments fondamentaux : un génome (ADN ou ARN), une capside protéique, et parfois une enveloppe.

• À l'intérieur d'une cellule, levirus détourne le métabolisme de l'hôte pour synthétiser ses propres composants.

• Des virions complets peuvent alors être libérés.

• En dehors de la cellule hôte, le virus existe sous forme de particule virale stable (virion), possédant peu ou pas d'enzymes et incapable de se multiplier indépendamment des cellules vivantes.