A/AS-Level Biology Revision Guide

Structure cellulaire

Les cellules sont les unités de base à partir desquelles les organismes vivants sont constitués. La plupart des cellules sont très petites, et leurs structures ne peuvent être observées qu'à l'aide d'un microscope.

Vous utiliserez un microscope optique au cours de votre programme de niveau AS. Les rayons lumineux traversent la préparation sur une lame et sont focalisés par une lentille d'objectif et une lentille d'oculaire. Cela produit une image agrandie de la préparation sur la rétine de votre œil. Alternativement, l'image peut être projetée sur un écran ou enregistrée par un appareil photo.

Un microscope électronique utilise des faisceaux d'électrons plutôt que des rayons lumineux. La préparation doit être très fine et placée sous vide pour permettre aux électrons de la traverser. Les électrons sont focalisés sur un écran ou un film photographique, où ils forment une image agrandie de la préparation.

Grossissement et Résolution

Le grossissement peut être défini comme :

Cela peut être réarrangé en :

Il n'y a pas de limite au grossissement d'une image. Cependant, le grossissement utile dépend de la résolution du microscope. C'est la capacité du microscope à distinguer deux objets comme étant séparés l'un de l'autre. Plus les objets qui peuvent être distingués sont petits, plus la résolution est élevée. La résolution est déterminée par la longueur d'onde des rayons utilisés pour observer la préparation. La longueur d'onde d'un faisceau d'électrons est beaucoup plus petite que celle de la lumière. Un microscope électronique peut donc distinguer des objets beaucoup plus petits qu'un microscope optique — en d'autres termes, un microscope électronique a une résolution beaucoup plus élevée qu'un microscope optique. Nous pouvons donc voir beaucoup plus de détails fins d'une cellule en utilisant un microscope électronique qu'avec un microscope optique.

Comme les cellules sont très petites, nous devons utiliser des unités beaucoup plus petites que les millimètres pour les mesurer. Ces unités sont les micromètres () et les nanomètres ().

Pour convertir les mm en , multipliez par 1000.

Calculs de la taille réelle

Vous devriez être capable de calculer la taille réelle d'un objet si on vous indique son grossissement.

Ce dessin d'une mitochondrie a été grossi 100 000 fois.

1. Utilisez votre règle pour mesurer sa longueur en mm. Elle mesure 50 mm de long.
2. Comme c'est un très petit objet, convertissez cette mesure en en multipliant par 1000.
3. Substituez dans l'équation :

Vous pouvez également utiliser une barre d'échelle pour un calcul similaire pour ce dessin d'un chloroplaste.

1. Mesurez la longueur de la barre d'échelle. Supposons qu'elle mesure 20 mm. Cette image représente une longueur réelle de . Il faut d'abord convertir 20 mm en : .
2. Calculez le grossissement en utilisant la formule :
3. Mesurez la longueur de l'image du chloroplaste en mm et convertissez-la en . Supposons qu'elle mesure 80 mm de long, soit .
4. Calculez sa longueur réelle en utilisant la formule :

Calibrage d'un réticule oculaire

Un réticule oculaire est une petite échelle que vous pouvez placer dans l'oculaire de votre microscope optique. Lorsque vous regardez dans le microscope, vous pouvez voir le réticule ainsi que la préparation.

Le réticule est gradué en "unités de réticule", vous pouvez donc l'utiliser pour mesurer votre préparation. Pour convertir ces unités en unités réelles (mm ou ), vous devez procéder à un étalonnage. Pour cela, vous utilisez une lame spéciale appelée micromètre de platine, qui est marquée d'une échelle minuscule. Les plus petites graduations sont souvent distantes de (soit ).

Alignez l'échelle du micromètre de platine et celle du réticule oculaire. Assurez-vous que deux grandes marques sur chaque échelle sont exactement alignées.

1. Dans l'image ci-dessus, on peut voir que le repère 50 du micromètre de platine est aligné avec le repère 1.0 du réticule oculaire. Plus loin, le repère 68 du micromètre de platine est aligné avec le repère 9.0 du réticule oculaire.
2. On peut donc dire que : 80 petites graduations du réticule oculaire = 18 graduations du micromètre de platine.
3. Sachant que 1 graduation du micromètre de platine = , alors 18 graduations = , ce qui équivaut à .
4. Donc, 1 petite graduation du réticule oculaire = .

Si une cellule mesure 23 unités de réticule, sa largeur réelle est : .

Structure de la cellule eucaryote

Les diagrammes ci-dessous montrent une cellule animale typique et une cellule végétale typique vues au microscope électronique.

Détail des organites et structures

• Membrane plasmique : Aussi connue sous le nom de membrane cellulaire, elle contrôle ce qui entre et sort de la cellule. Il existe de nombreuses autres membranes à l'intérieur de la cellule qui compartimentent différentes réactions chimiques.
• Noyau : Entouré d'une double membrane, l'enveloppe nucléaire. Il contient les chromosomes, chacun contenant une très longue molécule d'ADN. L'ADN dicte la séquence des acides aminés des protéines.
• Nucléole : Une zone plus sombre à l'intérieur du noyau (non entourée d'une membrane) où les nouveaux ribosomes sont assemblés.
• Ribosomes : Petites structures d'ARN et de protéines, libres dans le cytoplasme ou attachées au réticulum endoplasmique rugueux (RER). C'est le site de la synthèse des protéines.
• Réticulum endoplasmique rugueux (RER) : Vaste réseau de membranes dans le cytoplasme, délimitant des espaces appelés citernes. Les protéines destinées à l'exportation ou à un traitement ultérieur entrent dans les citernes du RER lors de leur synthèse.
• Appareil de Golgi : Les citernes du RER se détachent pour former des vésicules qui se déplacent vers l'appareil de Golgi. Ici, les protéines peuvent être modifiées (par ex., ajout de groupes glucidiques). Des vésicules contenant les protéines modifiées se détachent ensuite de l'appareil de Golgi et sont transportées vers la membrane plasmique pour être sécrétées par exocytose.
  
• Réticulum endoplasmique lisse (REL) : Moins étendu que le RER et sans ribosomes. Il est impliqué dans la synthèse des hormones stéroïdes et la détoxification.
• Mitochondries : Entourées d'une enveloppe (double membrane). La membrane interne est repliée pour former des crêtes. C'est le site de la respiration aérobie, produisant de l'ATP. Le cycle de Krebs a lieu dans la matrice, et la phosphorylation oxydative sur les crêtes.
  
• Lysosomes : Petits sacs membranaires remplis d'enzymes hydrolytiques (digestives). Ils se forment à partir de l'appareil de Golgi et digèrent les bactéries, les cellules usées ou les organites endommagés.
• Centrioles : Trouvés uniquement dans les cellules animales. Faits de microtubules disposés en cercle. Ils organisent les microtubules qui forment le fuseau de division pendant la mitose.
• Chloroplastes : Trouvés uniquement dans certaines cellules végétales. Entourés d'une enveloppe (double membrane). Le matériau de fond est le stroma. Ils contiennent des membranes appariées, les thylakoïdes, qui forment par endroits des piles appelées grana. Les grana contiennent de la chlorophylle. Les réactions dépendantes de la lumière de la photosynthèse ont lieu sur ces membranes, tandis que le cycle de Calvin a lieu dans le stroma.
  
• Paroi cellulaire : Entoure les cellules végétales, jamais les cellules animales. Elle est composée de cellulose, ce qui la rend solide.

Tissus et Organes

Un organe contient généralement de nombreux types de cellules différents. Ces cellules sont organisées en motifs caractéristiques, formant des tissus distincts. Un schéma d'ensemble (plan diagram) montre le contour des différents tissus dans un organe, mais pas les cellules individuelles.

Cellules Procaryotes vs Eucaryotes

Les cellules procaryotes se trouvent chez les bactéries et les archées, tandis que les cellules eucaryotes se trouvent chez les animaux, les plantes, les protistes et les champignons. Les cellules procaryotes sont généralement beaucoup plus petites que les cellules eucaryotes. La différence fondamentale est que les cellules procaryotes n'ont ni noyau ni autres organites délimités par une membrane.

Tableau Comparatif

Introduction to Cells and Microscopy

Cells are the fundamental, basic units from which all living organisms are constructed. Most cells are microscopic and require the use of a microscope to observe their intricate structures. Microscopy allows for the magnification of these tiny structures, making them visible for study.

Light vs. Electron Microscopes

The two primary types of microscopes used in biology are the light microscope and the electron microscope. Their main differences lie in the radiation source they use, which directly impacts their resolving power.

Resolution is the ability of a microscope to distinguish two objects as separate from one another. Higher resolution means smaller objects can be seen as distinct. Resolution is limited by the wavelength of the radiation used; since electrons have a much shorter wavelength than light, electron microscopes achieve significantly higher resolution and thus more useful magnification.

Microscopy Calculations: Magnification and Size

The Magnification Formula

The relationship between the size of a specimen, its image, and the magnification is described by a core formula.

• Magnification is the ratio of the image size to the actual size of the object.

• This formula can be rearranged to find the actual size of the object.

Units of Measurement

When measuring microscopic structures, standard units smaller than the millimetre are required.

• 1 metre (m)

• 1 millimetre (mm) =

• 1 micrometre (µm) =

• 1 nanometre (nm) =

Key Conversions:

• To convert millimetres (mm) to micrometres (µm): multiply by 1000.

• To convert micrometres (µm) to nanometres (nm): multiply by 1000.

Worked Examples

Example 1: Calculating Actual Size from Magnification

A drawing of a mitochondrion is magnified .

1. Measure the image size: Using a ruler, the length of the drawing is measured as 50 mm.

2. Convert units: Convert the image size to micrometres (µm) to match the expected scale of the object.

3. Apply the formula:

The actual length of the mitochondrion is .

Example 2: Using a Scale Bar

A drawing of a chloroplast includes a scale bar labelled .

1. Measure the scale bar image: The drawing of the scale bar measures 20 mm.

2. Convert units for the scale bar: The actual length represented is . The image length is 20 mm, which is .

3. Calculate magnification:

4. Measure the chloroplast image: The length of the chloroplast drawing is 80 mm.

5. Convert units for the chloroplast: .

6. Calculate the actual size of the chloroplast:

The actual length of the chloroplast is .

Using an Eyepiece Graticule and Stage Micrometer

What is an Eyepiece Graticule?

An eyepiece graticule is a transparent disc with a small, arbitrary scale etched onto it. It is inserted into the eyepiece of a light microscope, so the scale appears superimposed over the specimen being viewed. This allows the specimen to be measured in "graticule units". However, these units have no intrinsic value and must be calibrated.

Calibration: Converting Graticule Units to Real Units

Calibration is the process of assigning a real-world value (e.g., in micrometres) to the divisions on the eyepiece graticule. This is done using a stage micrometer, which is a microscope slide with a precise scale of known length etched onto it (e.g., with smallest markings or apart).

Step-by-Step Calibration Process

1. Place the stage micrometer on the microscope stage and focus on its scale using the desired objective lens.

2. Rotate the eyepiece so the eyepiece graticule scale is aligned parallel with the stage micrometer scale.

3. Move the stage micrometer until a major line on the eyepiece graticule aligns with a major line on the stage micrometer (e.g., the '0' marks).

4. Look along the two scales to find another point where two lines align perfectly.

5. Use this alignment to establish a relationship. For example, you might observe that 80 eyepiece graticule units correspond to 18 small stage micrometer markings.

6. Calculate the real length equivalent to the eyepiece units. If each stage micrometer marking is : Therefore, 80 eyepiece units = .

7. Calculate the value of a single eyepiece graticule unit:

Calculating Specimen Size after Calibration

Once calibrated, you can measure a specimen. If a plant cell measures 23 eyepiece units wide:

CRITICAL: The calibration is only valid for the specific combination of eyepiece and objective lens used. If you change the objective lens, you MUST recalibrate.

Eukaryotic Cell Structure: Organelles and their Functions

Eukaryotic cells are characterised by having a true nucleus and other membrane-bound organelles, which create compartments for specialised metabolic reactions. A typical animal cell (left) and a typical plant cell (right) as seen with an electron microscope.

Core Organelles in Animal and Plant Cells

• Plasma Membrane (Cell Surface Membrane): Surrounds the cell, controlling the passage of substances in and out. Its fluid mosaic structure is fundamental to this role.

• Nucleus: Contains the cell's genetic material and controls its activities.

  • Nuclear Envelope: A double membrane surrounding the nucleus, regulating passage of molecules.

  • Chromosomes: Structures made of DNA coiled around proteins (histones), carrying the genetic code for protein synthesis.

  • Nucleolus: A dense region within the nucleus responsible for synthesising ribosomes.

• Ribosomes: Small particles made of rRNA and protein. They are the site of protein synthesis (translation). They can be found free in the cytoplasm or attached to the Rough ER.

• Rough Endoplasmic Reticulum (RER): A network of membrane-bound sacs (cisternae) studded with ribosomes. It synthesises and transports proteins that are destined for secretion or insertion into membranes.

• Golgi Apparatus (Golgi Complex): A stack of flattened, membrane-bound sacs. It receives proteins and lipids from the ER, modifies them (e.g., by adding carbohydrates to form glycoproteins), sorts them, and packages them into vesicles for transport.

• Protein Secretion Pathway:

  Proteins are synthesised on RER ribosomes → enter the cisternae → transported in vesicles to the Golgi apparatus for modification → packaged into secretory vesicles → move to the plasma membrane and are released by exocytosis.

• Smooth Endoplasmic Reticulum (SER): A network of tubular membranes without ribosomes. Its functions include synthesising lipids and steroid hormones, and detoxifying drugs and poisons.

• Mitochondria: The powerhouse of the cell.

  • Structure: Enclosed by a double membrane. The inner membrane is extensively folded into cristae, increasing the surface area. The fluid-filled interior is the matrix.

  • Function: Site of aerobic respiration. The Krebs cycle occurs in the matrix, and oxidative phosphorylation occurs on the cristae to produce large amounts of ATP.

• Lysosomes: Spherical vesicles containing hydrolytic (digestive) enzymes. They digest phagocytosed material (like bacteria) and break down old or damaged organelles (autophagy). They bud off from the Golgi apparatus.

Organelles Specific to Cell Type

• Centrioles (Animal Cells Only):

  • Structure: A pair of short cylinders made of microtubules, located near the nucleus in an area called the centrosome.

  • Function: Organise the microtubules that form the spindle fibres during cell division.

• Chloroplasts (Plant and Algal Cells Only):

  • Structure: Enclosed by a double membrane. The internal fluid is the stroma. It contains a system of interconnected membrane sacs called thylakoids, which are often stacked into grana. Chlorophyll is embedded in the thylakoid membranes.

  • Function: Site of photosynthesis. The light-dependent reactions occur on the thylakoid membranes, and the light-independent reactions (Calvin cycle) occur in the stroma.

• Cell Wall (Plant, Fungal, and Prokaryotic Cells):

  • Structure: A rigid layer outside the plasma membrane. In plants, it is made of cellulose.

  • Function: Provides structural support, maintains cell shape, and prevents the cell from bursting due to excessive water uptake (osmosis).

Prokaryotic vs. Eukaryotic Cells

Defining Prokaryotic Cells

Prokaryotic cells, found in bacteria and archaea, are structurally simpler and generally much smaller than eukaryotic cells. Their defining feature is the absence of a true, membrane-bound nucleus and other membrane-bound organelles like mitochondria or ER. Their genetic material, a circular DNA molecule, is located in a region called the nucleoid.

Comparison of Cell Types

Tissues and Organs

In multicellular organisms, cells are organised into a structural hierarchy.

• A tissue is a collection of similar cells that are specialised to perform a specific function.

• An organ consists of several different tissues working together to carry out a particular function or set of functions.

A plan diagram is a simplified drawing that shows the overall layout and distribution of the major tissues within an organ, such as the cross-section of a leaf. It does not show individual cells but provides a map of the tissue arrangement.

Key Takeaways

• The electron microscope offers superior resolution over the light microscope, allowing for the observation of cell ultrastructure.

• Accurate measurement in microscopy requires understanding magnification formulas and performing calibration with an eyepiece graticule and stage micrometer.

• Eukaryotic cells are defined by their compartmentalisation, with membrane-bound organelles creating specialised environments for different metabolic processes.

• Prokaryotic cells are simpler, lacking a nucleus and other membrane-bound organelles. Their ribosomes are also smaller (70S vs 80S).

• Plant cells differ from animal cells primarily by their possession of a cellulose cell wall, chloroplasts for photosynthesis, and the absence of centrioles.