Structure et fonctions cellulaires eucaryotes

La Cellule Eucaryote - Les Bases

I. Introduction à la Biologie Cellulaire

• La Vie : Un état de la matière hautement complexe.

• Être Vivant : Système chimique complexe, autonome et autoréproductible, dont les activités sont gouvernées par un programme.

• Cellule : L'unité fondamentale de la vie, le plus petit ensemble cohérent de structures et de fonctions vitales.

II. Les Molécules

A. Généralités

• Molécule : Ensemble d'atomes réunis par des liaisons fortes (covalentes).

• La réunion des atomes impose une organisation et une forme précise à la molécule dans l'espace, conférant une information.

B. Masse Moléculaire

• Hommage à John Dalton (1766-1844), père de la théorie atomique.

• 1 Dalton (Da) : Correspond à la masse d'un atome d'hydrogène ().

C. Forme et Interactions Moléculaires

• Forme : Essentielle pour la reconnaissance entre molécules.

• Interactions Moléculaires : Des forces faibles et instables mais suffisantes pour former temporairement des complexes actifs jouant un rôle fonctionnel dans les réactions chimiques.

III. Énergie

A. Définition

• Énergie : Capacité d'un système à fournir un travail.

B. Types d'Énergie

• Énergie Potentielle : Pour le stockage.

• Énergie Libre : Pour le travail.

C. Unités de Mesure

• Calorie (cal) et Kilocalorie (1 kcal = 1000 cal).

• Joule (J) : 1 cal = 4,185 J.

D. Formes d'Énergie

• Mécanique, Électrique, Thermique, Lumineuse, Chimique (stockée dans les liaisons).

• Interconvertibilité des formes d'énergie.

IV. La Matière : Atomes, Liaisons, Molécules

A. Les Éléments

• Substances ne pouvant être dégradées par des réactions chimiques ordinaires.

B. L'Atome

• Noyau : Contient des protons (+) et des neutrons (chacun composé de trois quarks).

• Électrons (-) : Orbitent autour du noyau sur des orbitales formant des couches.

• Un atome est stable avec 8 électrons (ou 2 s'il n'y a qu'une orbitale) sur sa couche externe.

• Nombre d'électrons = nombre de protons pour un atome électriquement neutre.

• L'hydrogène est l'atome le plus simple et le plus abondant dans l'univers.

• Les atomes tendent à acquérir une plus grande stabilité en partageant, donnant ou acceptant des électrons, formant ainsi des liaisons chimiques.

C. Liaisons Chimiques

Liaisons Fortes (Covalentes) ✨

• Deux atomes partagent un ou plusieurs électrons.

• Aucune charge électrique n'est créée.

• Liaisons très stables, difficiles à créer et à rompre.

• La force d'une liaison est mesurée en kJ/mol.

• Mole : Quantité de substance contenant molécules.

• Liaisons Faibles ✨

  1. Liaison Hydrogène (env. 0,25 kJ/mol) :

     • Un atome d'hydrogène est partagé entre un donneur (plus fortement lié) et un accepteur (moins fortement lié, portant une charge partielle négative).

     • Concept de "ménage à trois".

  2. Liaison Ionique (Électrostatique) (env. 0,7 kJ/mol) :

     • Un atome (donneur) cède un ou plusieurs électrons à un autre atome (receveur) pour stabiliser leurs couches externes.

     • Les atomes deviennent des ions chargés électriquement : cation (+) pour le donneur, anion (-) pour le receveur.

D. Sels Minéraux

• Peuvent être mobilisés (os) ou en solution et dissociés en ions (cations comme , , , ; anions comme , , , ).

• L'équilibre de la balance ionique est essentiel au vivant.

V. L'Eau ()

• Représente 60% à 95% de la matière vivante.

• Rôle de solvant, milieu de dispersion, fournisseur de liaisons hydrogène, régulateur thermique.

• C'est une molécule dipolaire : charge nette neutre, mais électrons distribués asymétriquement. L'oxygène est fortement électronégatif.

• Sa nature polaire favorise la formation de liaisons hydrogène temporaires entre molécules d'eau voisines, créant une structure réticulaire fluide.

VI. Les 6 Éléments Majeurs du Vivant

• Le carbone est l'élément essentiel du vivant, autour duquel s'organisent tous les constituants organiques (glucides, lipides, protéines, acides nucléiques).

• Toutes ces molécules interagissent en milieu aqueux.

VII. Les Grandes Classes de Molécules Organiques

A. Glucides

• Rôles : Source d'énergie, matériaux de construction, étiquetage.

• Molécules simples (oses/monosaccharides) : Formule (n=3 à 7). Contiennent un groupe hydroxyle (-OH) et un groupe aldéhyde/cétone.

  • Exemples : Glucose (hexose), Ribose/Désoxyribose (pentoses).

• Disaccharides/Oligosaccharides (jusqu'à une dizaine d'oses).

• Polysaccharides :

  • Glycogène : Polymère ramifié de glucose (plus de 30 000 résidus).

  • Cellulose : Structure linéaire.

B. Lipides

• Rôles : Source d'énergie, constituants des membranes biologiques, signalisation.

• Acides Gras : Chaînes hydrocarbonées de 16-18 carbones ().

• Molécule amphipathique :

  • "Tête" (carboxylique -COOH) : Acide, hydrophile, soluble, très réactive. Devient en milieu aqueux.

  • "Queue" (chaîne carbonée) : Hydrophobe, peu réactive.

• Cholestérol : 27 atomes de carbone, structure polycyclique (4 cycles), famille des stéroïdes.

C. Nucléotides

• Rôles : Transferts d'énergie (ATP, ADP), transferts de groupements phosphate, stockage du programme génétique (ADN), transferts d'informations (ARN).

• Constitués d'une base + pentose + phosphate(s).

• Nucléoside : Ose (pentose) + Base organique.

• Pentoses :

  • Ribose.

  • Désoxyribose : Moins réactif, sans atome d'oxygène en C2 (du ribose).

• Bases :

  • Pyrimidines : Thymine, Uracile, Cytosine.

  • Purines : Adénine, Guanine.

• Mononucléotides : ADP, ATP.

• Dinucléotides : NAD, FAD.

• Polynucléotides : ACIDE DÉSOXYRIBONUCLÉIQUE (ADN), ACIDE RIBONUCLÉIQUE (ARN).

Acides Nucléiques

• Chaînes de nucléotides unis par des liaisons diester-phosphoriques.

• ADN : Contient du désoxyribose, pas d'uracile. Structure secondaire bicaténaire avec liaisons hydrogène entre bases complémentaires et brins antiparallèles.

• ARN : Contient du ribose, pas de thymine.

D. Protéines (CHON (+S))

• « Machines à fabriquer de la matière vivante ».

Acides Aminés et Peptides

• Composés d'un groupe carboxyle (-COOH), un groupe amine (-NH₂), un hydrogène (H) et une chaîne latérale variable (R) : .

• En milieu aque

ux, les groups carboxyle et amine sont ionisés : .

• 20 types d'acides aminés majoritaires, classifiés par leurs chaînes latérales (hydrophiles/hydrophobes, acides/basiques/polaires neutres/non polaires).

• Les acides aminés s'associent par des liaisons peptidiques (covalentes), entre le carboxyle d'un AA et l'amine du suivant.

• Polarité de la molécule : Extrémité N-terminale () et C-terminale ().

• Oligopeptide : Moins de 30 acides aminés.

• Polypeptide : Plus de 30 acides aminés.

Structures des Protéines

1. Structure Primaire : Séquence linéaire des acides aminés.

2. Structure Secondaire : Reploiements réguliers stabilisés par liaisons H.

   • Hélice : Liaisons H entre CO et NH d'AA voisins.

   • Feuillet .

3. Structure Tertiaire : Arrangement tridimensionnel des domaines d'un même polypeptide (protéine globulaire). Stabilisée par liaisons H et ponts disulfures (liaisons covalentes) entre résidus éloignés.

4. Structure Quaternaire : Association de plusieurs polypeptides, stabilisée par liaisons non covalentes et ponts disulfures inter-chaînes (protéine complexe).

   • Holoprotéine : Uniquement des polypeptides.

   • Hétéroprotéine : Polypeptides et groupes non peptidiques.

Reploiement et Conformation

• La disposition spatiale des chaînes latérales conditionne la réactivité chimique et les propriétés biologiques.

• Un polypeptide adopte généralement une conformation stable unique, contrôlée par des protéines chaperons et les conditions du milieu.

• La conformation peut changer (pH, température, modifications covalentes comme phosphorylation, méthylation, acétylation) pour réguler la fonction (allostérie).

VIII. Les Enzymes

• Les enzymes agissent comme catalyseurs spécifiques des réactions métaboliques.

• Elles abaissent l'énergie d'activation, augmentent la fréquence et accélèrent le déroulement des réactions (jusqu'à un facteur à ).

• Le substrat se fixe au site actif de l'enzyme, qui catalyse une transformation ou une liaison entre deux substrats.

A. Caractéristiques

• Augmentent la concentration du substrat au niveau du site catalytique.

• Diminuent l'énergie requise.

• Agissent à faible concentration et restent inaltérées après la réaction.

B. Site Actif

• Structure tridimensionnelle spécifique (fissure/crevasse) souvent exempte d'eau.

• Les substrats se lient par des liaisons faibles.

• Deux types de sites spécifiques :

  • Site catalytique : Liaison au(x) substrat(s).

  • Site allostérique : Site de régulation. La fixation de molécules (effecteurs) modifie la conformation de l'enzyme, activant ou inhibant le site catalytique.

IX. Fonctions Essentielles du Vivant

• Programme : Informations pour synthétiser sa propre substance.

• Métabolisme Énergétique : Utilisation de l'énergie chimique de l'environnement.

  • Catabolisme : Dégradation.

  • Anabolisme : Synthèse.

• Métabolisme Signalétique : Communication interne et avec l'environnement.

X. Vecteurs Moléculaires de l'Information

XI. Classification des Vivants

• Eucaryotes : Cellules complexes avec noyau défini et organites.

• Procaryotes : Cellules simples sans vrai noyau (bactéries).

• Virus (Acaryotes) : Éléments génétiques (ADN ou ARN) entourés d'une capside, sans noyau ni cytoplasme.

XII. Dimensions (Échelle du Vivant)

• Eucaryotes : Diamètre de 2 µm à 20 µm.

• Procaryotes : Diamètre de 0,5 µm à 3 µm.

• Virus : Diamètre de 1 nm à 100 nm.

• Niveau cellulaire : Nanomètre ; Niveau moléculaire : Angström.

• Microscope Photonique : DPC 0,25 µm ; Microscope Électronique : DPC 5 Å.

XIII. La Cellule Eucaryote en Détail

A. Compartimentation

• Définie par une membrane plasmique.

• L'intérieur est compartimenté par des membranes biologiques (organites) et soutenu par un cytosquelette.

• Deux compartiments majeurs en interphase : Noyau et Cytoplasme.

B. Le Noyau ✨

• Défini par une enveloppe nucléaire.

• Structures : chromatine, nucléole, nucléosquelette.

• Fonctions : Stockage et réplication de l'ADN, transcription et maturation des ARNs, échanges nucléocytoplasmiques.

C. Le Cytoplasme ✨

• Le cytosquelette (microtubules, microfilaments d'actine, filaments intermédiaires) assure soutien, mouvements et est dynamique.

• Organites :

  • Chondriome (Mitochondries) : Transformations d'énergie, échanges, semi-autonomie génétique.

  • Réticulum Endoplasmique (RE) : Synthèses de protéines (avec ribosomes), synthèses lipidiques, glycosylation (1). REG (rugueux) & REL (lisse).

  • Appareil de Golgi (Dictyosomes) : Glycosylation (2), ségrégation et adressage.

  • Lysosomes : Dégradation enzymatique (catabolisme).

  • Membrane Plasmique : Fonctions de relations et d'échanges avec l'extérieur.

  • Hyaloplasme : Métabolisme général.

D. Types de Cellules Eucaryotes

• Peuvent être à vie indépendante (levures, protozoaires), former des colonies pluricellulaires (Gonium, Volvox) ou des organismes pluricellulaires (tissus, organes).

• Différenciation : Plus de 200 types cellulaires différents dans un organisme.

XIV. Les Procaryotes

• Exemples : Bactéries, cyanophycées.

• Pas de véritable noyau.

• Nucléoïde : Molécule d'ADN circulaire (chromosome bactérien) non encapsulée. Ex: Escherichia Coli (4 millions de paires de bases, 4000 protéines).

• Plasmides : ADN circulaires plus petits (2000-3000 paires de bases, 2-3 protéines).

• Cytoplasme peu structuré (environ 30 000 ribosomes).

• Mérosome associé à la membrane plasmique.

• Reproduction par fission binaire (une division toutes les 20 minutes dans des conditions optimales).

XV. Les Virus (Acaryotes)

• Éléments génétiques (ADN ou ARN) enclos dans une enveloppe protéique ou lipido-protéique (capside).

• Pas de noyau, pas de cytoplasme.

• Exemple : Bactériophage T4 (170 000 paires de bases d'ADN double brin).

• Les virus injectent leur matériel génétique dans une cellule hôte, utilisent sa machinerie pour se répliquer, transcrire et synthétiser les protéines de la capside, puis lysent la cellule.

XVI. Cycle Cellulaire Eucaryote

A. Phases

• Défini par la division cellulaire (Phase M) et la réplication de l'ADN nucléaire (Phase S).

• Interphase : Période entre deux divisions.

B. Interphase

1. Phase G1 :

   • Début du cycle, durée variable.

   • Synthèses d'ARN et de protéines.

   • Premier niveau de contrôle : Accumulation du SAF (S-Phase Activating Factor), une protéine kinase cycline dépendante (CdK). Le dépassement d'un seuil critique force l'entrée en Phase S.

2. Phase S :

   • Synthèse de l'ADN nucléaire (réplication).

   • Durée relativement stable.

   • La transcription et la traduction continuent.

3. Phase G2 :

   • Synthèses protéiques pour préparer la mitose.

   • Deuxième niveau de contrôle : Accumulation et activation du MPF (M-Phase Promoting Factor), une CdK qui déclenche l'entrée en Phase M.

C. Phase M (Mitose et Cytocinèse)

• Mitose : Partage équitable du programme génétique.

• Cytocinèse : Partage des constituants cellulaires.

• Cytodiérèse : Division de la cellule mère en deux cellules filles.

• Métabolisme ralenti.

• Troisième niveau de contrôle : Le MPF est désactivé pour permettre la sortie de mitose.

D. Durée du Cycle Cellulaire

• Cellules embryonnaires : Très court (30-60 minutes).

• Cellules souches : Court (quelques heures à jours).

• Cellules différenciées : Long (quelques jours à mois).

E. Différenciation et Mort Cellulaire

• Différenciation : Si la concentration de SAF reste sous le seuil critique, la Phase G1 se prolonge (Phase G0). La cellule se spécialise et perd sa capacité à répliquer son ADN et se diviser.

• Mort Cellulaire :

  • Nécrose : Accident, vieillissement.

  • Apoptose : Mort cellulaire programmée.

• Les cellules permanentes ne sont pas remplacées.