Biologie Cellulaire, Biochimie et Tissus

BIOLOGIE CELLULAIRE ET BIOCHIMIE

Objectifs d'apprentissage :

• Savoir identifier les constituants chimiques d'un être vivant.

• Connaître les constituants structurels d'un être vivant.

• Connaître l'organisation des êtres vivants pluricellulaires.

Prérequis :

• Savoir distinguer le vivant du non vivant.

• Notions de base de chimie.

• Fiche 2.1. Les principaux constituants de la matière vivante.

• Fiche 2.2. La cellule: unité du vivant.

• Fiche 2.3. Organisation en tissus.

FICHE 2.1 Les principaux constituants de la matière vivante

La biochimie est la partie de la chimie qui s'intéresse particulièrement aux molécules du vivant. Elle étudie les constituants de la matière vivante et les réactions chimiques associées à la vie. La biologie moléculaire, quant à elle, s'intéresse à la structure et aux propriétés des molécules du vivant. Ces deux sciences sont donc étroitement interconnectées.

A. De l'atome aux molécules

1. Rappels de chimie

Un atome est l'unité constitutive des molécules. Il est composé d'un noyau (neutrons et protons) et d'électrons qui gravitent autour. Un atome est électriquement neutre.

• Le numéro atomique correspond au nombre de protons.

• Le nombre de masse correspond au nombre de nucléons.

Un ion est un atome ou une molécule ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.

• Un anion est un ion chargé négativement (gain d'électron).

• Un cation est un ion chargé positivement (perte d'électron).

Les liaisons ioniques et les liaisons hydrogène sont des liaisons faibles. Les liaisons covalentes sont des liaisons fortes résultant du partage d'électrons.

• Liaison covalente simple: partage de deux électrons (ex: , ).

• Liaison covalente double: partage de quatre électrons (ex: , ).

• Liaison covalente triple: partage de six électrons (ex: ).

2. L'eau sur notre planète est le constituant inorganique de base des êtres vivants

L'eau est essentielle à la vie, présente sous trois états sur Terre. Elle constitue la majorité de la masse des êtres vivants (ex: 65% chez l'humain) et intervient dans de nombreuses fonctions biologiques:

• Solvant polaire: transport d'éléments minéraux et de déchets métaboliques.

• Participation aux réactions d'hydrolyse et de synthèse.

• Thermorégulation de l'organisme.

3. Les éléments les plus abondants chez les êtres vivants : carbone, oxygène, hydrogène et azote

Les éléments majoritaires des molécules du vivant sont le carbone (C), l'hydrogène (H), l'oxygène (O) et l'azote (N). Leurs proportions sont caractéristiques et différentes de celles de la matière inorganique.

B. Les molécules du vivant

1. La matière minérale ou inorganique

Une molécule est qualifiée de minérale si elle ne contient pas de carbone associé à un ou plusieurs hydrogènes (ex: , ). Elles constituent des structures de soutien (coquilles, squelette) et sont présentes sous forme d'ions indispensables (ex: , , ).

2. La matière organique

Les molécules organiques sont synthétisées par les êtres vivants, principalement composées de C, H, O, N. Elles sont combustibles et productrices d'énergie. On distingue quatre familles principales:

• Les glucides (sucres et féculents).

• Les lipides (matières grasses).

• Les protides (protéines et acides aminés).

• Les acides nucléiques.

a. Les glucides

Les glucides sont des sources énergétiques. Ils sont classés en:

• Monosaccharides (sucres simples): (ex: glucose, fructose, galactose).

• Disaccharides (deux monosaccharides liés): (ex: maltose, lactose, saccharose).

• Polysaccharides (polymères de monosaccharides): réserves (amidon, glycogène) ou éléments structurels (cellulose).

b. Les lipides

Les lipides sont des molécules de réserve, insolubles dans l'eau. Composés de C, H, O (parfois P). Trois groupes principaux:

• Triglycérides: graisses neutres, formées de glycérol et de trois chaînes d'acides gras.

  • Acides gras saturés: liaisons simples entre carbones (graisses animales).

  • Acides gras insaturés: liaisons doubles ou triples entre carbones (graisses végétales).

• Phospholipides: glycérol, groupement phosphate (tête hydrophile) et deux chaînes d'acides gras (queue hydrophobe). Constituants des membranes cellulaires.

• Stéroïdes: structure à quatre cycles (ex: cholestérol, hormones stéroïdes).

c. Les protides

Les protides (protéines) sont des constituants structurels et fonctionnels. Composés d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques. Éléments principaux: C, H, O, N (parfois S).

• Acide aminé: carbone central lié à un hydrogène, un groupement amine (), un groupement acide carboxylique () et un radical variable.

• Peptide: chaîne de quelques acides aminés.

• Polypeptide: chaîne de plus de vingt acides aminés.

• Protéine: un ou plusieurs polypeptides associés, remplissant une fonction précise.

Les protéines ont des structures hiérarchiques:

• Structure primaire: séquence linéaire des acides aminés.

• Structure secondaire: premier repliement (liaisons faibles ou covalentes).

• Structure tertiaire: deuxième niveau de repliement.

• Structure quaternaire: association de plusieurs polypeptides.

Les protéines sont fonctionnelles lorsqu'elles atteignent leur structure tertiaire ou quaternaire.

d. Les acides nucléiques

Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. Ils contiennent les éléments C, H, O, N, P. Deux types principaux:

• ADN (acide désoxyribonucléique).

• ARN (acide ribonucléique).

Un nucléotide est composé d'un groupe phosphate (P), d'un sucre (S) et d'une base azotée (BA).

• Sucre: ribose (ARN) ou désoxyribose (ADN).

• Bases azotées: adénine (A), guanine (G), thymine (T), uracile (U), cytosine (C).

Les bases azotées sont complémentaires deux à deux (A-T, A-U, G-C) grâce à des liaisons hydrogène.

La molécule d'ADN est un polymère de désoxyribonucléotides, formant une double hélice à deux brins complémentaires et antiparallèles. Elle est le support de l'information génétique.

La molécule d'ARN est un polymère de ribonucléotides, généralement un seul brin. Trois types principaux:

• ARNm (messager): transporte l'information génétique.

• ARNt (transfert): intervient dans l'assemblage des acides aminés.

• ARNr (ribosomal): constituant des ribosomes.

C. Les interactions moléculaires, les réactions chimiques utiles en biologie

1. Les réactions d'oxydoréduction

Les réactions d'oxydoréduction impliquent un transfert d'électrons. La molécule qui perd des électrons est oxydée, celle qui en gagne est réduite.

Exemple: ( est le réducteur, est l'oxydant).

2. La catalyse biologique

Les enzymes sont des protéines qui catalysent (accélèrent) les réactions biologiques sans être modifiées. Elles sont doublement spécifiques: à leur substrat et à l'action réalisée.

• Les enzymes possèdent un site de reconnaissance et un site actif complémentaires au substrat.

• Réaction enzymatique: (Enzyme + Substrat Enzyme + Produit).

Les enzymes sont essentielles au métabolisme cellulaire et à la digestion.

3. Le pH et la température : leur importance dans les réactions biologiques

Le pH et la température sont des facteurs cruciaux pour les réactions biologiques.

• Température: L'optimum est entre 37 et . Des températures trop basses ralentissent les réactions, des températures supérieures à dénaturent les protéines.

• pH: L'optimum de fonctionnement des enzymes dépend de leur nature (ex: pepsine à pH acide, amylase à pH neutre).

En résumé

La matière vivante est majoritairement composée d'eau et d'éléments comme le carbone, l'hydrogène, l'oxygène et l'azote. Ces éléments forment des molécules minérales (non combustibles, structurelles) et organiques (combustibles, productrices d'énergie).

Les quatre familles de molécules organiques sont les glucides, les lipides, les protides et les acides nucléiques (ADN et ARN). Ces molécules interagissent via des réactions d'oxydoréduction et des catalyses enzymatiques, influencées par le pH et la température.

FICHE 2.2 La cellule : unité du vivant

La cellule est l'unité structurale du vivant. Elle est délimitée par une membrane plasmique, contient un cytoplasme et le support de l'information génétique (ADN). La biologie cellulaire étudie sa structure et son fonctionnement.

Il existe deux types de cellules: les procaryotes et les eucaryotes.

A. Les procaryotes

Les procaryotes (du grec pro- primitif et karyon noyau) sont des organismes unicellulaires sans noyau délimité, pouvant vivre dans des conditions extrêmes. Ils incluent les eubactéries et les archéobactéries.

Structure de la cellule:

• Membrane plasmique et cytoplasme.

• Paroi bactérienne.

• Un seul chromosome circulaire (ADN).

• Plasmides: petites portions d'ADN circulaire.

• Ribosomes: pour la synthèse des protéines.

B. Les eucaryotes: cellules animales et végétales

Les eucaryotes (du grec eu- vrai et karyon noyau) sont caractérisés par une cellule compartimentée avec un vrai noyau. Ils peuvent être unicellulaires (protozoaires, levures) ou pluricellulaires (végétaux, champignons, animaux).

Structure de la cellule:

• Membrane plasmique et cytoplasme.

• Noyau: contient l'ADN sous forme de chromatine, protégé par une enveloppe nucléaire.

• Cytosquelette: confère la forme et participe aux mouvements cellulaires.

• Organites: structures spécialisées (voir section C).

Les cellules végétales possèdent des structures spécifiques non présentes chez les animaux:

• Paroi pectocellulosique rigide: maintien de la forme.

• Vacuoles: maintien de la forme, stockage, pigments.

• Plastes: chloroplastes (photosynthèse) ou amyloplastes (stockage d'amidon).

C. Les structures cellulaires spécialisées des eucaryotes

1. La membrane plasmique

La membrane plasmique délimite la cellule et régule les échanges. Elle est principalement composée d'une bicouche de phospholipides, de cholestérol et de protéines membranaires. Elle est sélectivement perméable.

Deux types de transports transmembranaires:

• Transport passif: sans énergie (diffusion simple, diffusion facilitée).

• Transport actif: nécessite de l'énergie (protéines porteuses).

2. Les organites et leurs fonctions

Un organite est une structure cellulaire remplissant une fonction particulière.

• Noyau: contient l'information génétique (chromatine) et le nucléole (assemblage des ribosomes). Délimité par l'enveloppe nucléaire.

• Réticulum endoplasmique (RE):

  • RE rugueux: associé aux ribosomes, fabrique les protéines destinées à être exportées.

  • RE lisse: biosynthèse des lipides.

• Ribosomes: synthétisent les protéines. Libres ou attachés au RE rugueux.

• Appareil de Golgi: mature les protéines, libère des vésicules golgiennes et des lysosomes.

• Lysosomes: contiennent des enzymes digestives pour détruire des éléments extérieurs.

• Mitochondries: "centrales énergétiques", réalisent la respiration cellulaire.

• Vacuoles (cellules végétales): maintiennent la forme, stockent des substances.

• Plastes (cellules végétales):

  • Chloroplastes: siège de la photosynthèse.

  • Amyloplastes: stockage d'amidon.

3. Le cytoplasme

Le cytoplasme est composé de l'hyaloplasme (cytosol) et contient les organites, le cytosquelette et le centrosome.

• Cytosquelette: ensemble de protéines tubulaires (microfilaments, microtubules) assurant le soutien, les mouvements intracellulaires et la mobilité cellulaire. Participe aux divisions cellulaires.

D. Fonctionnement cellulaire : le métabolisme cellulaire

Le métabolisme cellulaire est l'ensemble des réactions cellulaires produisant et utilisant de l'énergie. Il comprend:

• Anabolisme: réactions de synthèse moléculaire.

• Catabolisme: réactions de dégradation moléculaire.

1. Autotrophie et Hétérotrophie

• Autotrophie: capacité à fabriquer sa matière organique à partir de matière minérale et d'une source d'énergie.

  • Photosynthèse: par les organismes chlorophylliens (lumière). .

  • Chimiosynthèse: par des organismes chimiotrophes (énergie chimique).

• Hétérotrophie: besoin d'un apport extérieur de matière organique. L'énergie est fournie par la respiration cellulaire (ATP).

  • Respiration cellulaire: .

  • Fermentation: en conditions anaérobies, produit moins d'ATP.

2. Digestion cellulaire

Les cellules recyclent les constituants des molécules actives par hydrolyse. Certaines cellules peuvent réaliser:

• Endocytose: invagination de la membrane plasmique pour intégrer des particules extérieures dans un endosome.

• Phagocytose: invagination de la membrane plasmique pour intégrer des macromolécules, virus ou bactéries dans un phagosome.

Les endosomes ou phagosomes fusionnent avec des lysosomes pour digérer leur contenu. L'exocytose libère le contenu digéré à l'extérieur.

3. Mort cellulaire

• Nécrose: mort cellulaire suite à une perturbation extérieure.

• Apoptose: mort cellulaire programmée.

En résumé

La cellule est l'unité fondamentale du vivant, délimitée par une membrane plasmique et contenant un cytoplasme avec l'ADN. Les procaryotes sont des cellules simples sans noyau, tandis que les eucaryotes sont compartimentées avec un noyau et des organites spécialisés (noyau, RE, Golgi, mitochondries, ribosomes). Les cellules végétales ont en plus une paroi, des vacuoles et des plastes.

Le métabolisme cellulaire (anabolisme et catabolisme) gère la production et l'utilisation d'énergie. Les cellules peuvent être autotrophes (photosynthèse, chimiosynthèse) ou hétérotrophes (respiration cellulaire). Elles digèrent et recyclent les molécules, et leur durée de vie est limitée par la nécrose ou l'apoptose.

FICHE 2.3 Organisation en tissus

A. Les échelles du vivant

Les organismes pluricellulaires sont eucaryotes et sont organisés de manière hiérarchique, du plus grand au plus petit:

1. Organisme: ensemble d'appareils ou systèmes.

2. Système/Appareil: ensemble d'organes remplissant des fonctions vitales (ex: système nerveux, appareil cardiovasculaire).

3. Organe: ensemble de tissus (ex: cerveau).

4. Tissu: ensemble de cellules de même fonction (ex: tissu nerveux).

5. Cellule: unité de base du vivant (ex: neurone).

6. Organite: structure spécialisée dans la cellule (ex: mitochondrie).

7. Molécule: ensemble d'atomes (ex: ADN).

8. Atome: unité constitutive des molécules.

B. Les tissus

Un tissu est un ensemble de cellules de même structure ou origine, remplissant une fonction commune. L'histologie est la science qui étudie les tissus.

En résumé

Les organismes pluricellulaires sont organisés en une hiérarchie: organisme, système/appareil, organe, tissu, cellule, organite, molécule, atome. Un tissu est un ensemble de cellules de même origine, structure et/ou fonction, formant un composant essentiel des organes et des systèmes.

CORRIGÉS DES ENTRAÎNEMENTS DE LA SÉQUENCE

FICHE 2.1 Les principaux constituants de la matière vivante

1. Un atome ou une molécule qui a gagné un électron est un anion.

2. La molécule libérée lors d'une réaction de synthèse est l'eau ().

3. Les éléments les plus fréquents chez les êtres humains sont le carbone (C), l'hydrogène (H), l'oxygène (O) et l'azote (N).

4. Une particularité qui distingue la matière minérale de la matière organique est que la matière organique est combustible et productrice d'énergie, et contient des associations de carbone et d'hydrogène.

5. La structure tertiaire d'un polypeptide est le deuxième niveau de son repliement, lui conférant une fonction si la protéine est formée par un seul polypeptide.

6. Tableau comparatif de l'ADN et de l'ARN :

   ADN	ARN
   Polymère de désoxyribonucléotides Sucre : désoxyribose Bases : A, C, G et T	Polymère de ribonucléotides Sucre : ribose Bases : A, C, G et U
   2 brins complémentaires, antiparallèles en double hélice	1 brin
   Dans le noyau des cellules eucaryotes	Dans le noyau et le cytoplasme
   Circulaire chez les procaryotes et certains organites des eucaryotes (mitochondries et plastes)	Linéaire ou replié sur lui-même selon la catégorie - ARNm, ARNt et ARNr
   Linéaire chez les eucaryotes
   Porte l'information de plusieurs gènes	Porte l'information d'un seul gène
   Molécule de grande taille dont la durée de vie est longue	Molécule de petite taille dont la durée de vie est courte

7. Il y a $20 \times 20 = <strong>400</strong>$ dipeptides différents possibles à partir des 20 acides aminés.

8. Séquence de la molécule d'ADN complète:

   A	T	G	C	T	T	A	T	T	G	G	C	C	T	T	A	G	A	C	G	G	T	A	G
   T	A	C	G	A	A	T	A	A	C	C	G	G	A	A	T	C	T	G	C	C	A	T	C

9. Tableau résumant les manipulations, les résultats et l'interprétation de l'expérience:

   Manipulation	Résultat	Interprétation
   A + eau iodée	A devient bleu foncé	Il y a de l'amidon dans A
   A frotté sur papier	Trace translucide sur le papier	Il y a des lipides dans A

FICHE 2.2 La cellule : unité du vivant

1. Les constituants des membranes sont les phospholipides, le cholestérol et les protéines. Ils peuvent être associés à des glucides (glycolipides et glycoprotéines).

2. Les organites énergétiques des cellules eucaryotes sont les mitochondries et les chloroplastes.

3. Le cytosquelette a un rôle de soutien pendant l'interphase et participe aux divisions cellulaires et aux mouvements intracellulaires.

4. Tableau comparatif entre une cellule procaryote, une cellule eucaryote animale et une cellule eucaryote végétale.

   Caractéristique	Cellule procaryote	Cellule eucaryote animale	Cellule eucaryote végétale
   ADN	X	X	X
   Membrane plasmique	X	X	X
   Cytoplasme	X	X	X
   Ribosomes	X	X	X
   Paroi cellulaire	Paroi bactérienne		Paroi pectocellulosique
   Mitochondries		X	X
   Réticulum endoplasmique		X	X
   Appareil de Golgi		X	X
   Cytosquelette		X	X
   Plastes			X
   Vacuole			X

5. Légendes pour les structures représentées dans les schémas d'interprétation de la figure 4:

   1. Membrane plasmique

   2. Cytoplasme

   3. Enveloppe nucléaire

   4. Pore nucléaire

   5. Mitochondrie

   6. Réticulum endoplasmique rugueux

   7. Ribosomes

   8. Nucléole

   9. Nucléoplasme ou chromatine

   10. Paroi pectocellulosique

   11. Cytoplasme

   12. Nucléole

   13. Pore nucléaire

   14. Chloroplaste

   15. Mitochondrie

   16. Vacuole

   17. Ribosomes

6. Analyse des données sur les Euglènes:

   • À l'obscurité, le nombre d'Euglènes diminue de moitié, indiquant une forte mortalité.

   • À la lumière, le nombre d'Euglènes est multiplié par huit, montrant un développement favorisé.

   • Conclusion: La lumière est un facteur essentiel à leur développement.

   • Interprétation: Les Euglènes sont des organismes autotrophes qui réalisent la photosynthèse.

FICHE 2.3 Organisation en tissus

1. Ordre croissant des échelles du vivant:

   Atome - molécule - organite - cellule - tissu - organe - système - organisme.

2. Exemples de tissus, leur localisation et leur fonction (voir Tableau 10):

   • Tissu conjonctif: soutien et emballage des autres tissus. Composé de fibroblastes, adipocytes et matrice extracellulaire.

   • Tissu sanguin: transport de dioxygène et défenses immunitaires. Composé de globules rouges et lymphocytes.

   • Épithélium de revêtement: protection (ex: épiderme).

   • Tissu musculaire: contraction volontaire ou involontaire (ex: tissu musculaire strié).

3. Tableau regroupant les systèmes, leurs fonctions et les organes qui les constituent:

   Appareil / Système	Fonction	Liste des organes
   Système nerveux	Perception - interprétation - genèse de réponses adaptées	Cerveau, cervelet, bulbe rachidien, moelle épinière, nerfs, organes des sens et capteurs sensoriels.
   Système respiratoire	Respiration	Poumons, bronches, trachée, nez/bouche
   Appareil cardiovasculaire	Circulation sanguine	Cœur, artères, veines, capillaires
   Système digestif	Digestion	Intestin grêle, gros intestin, estomac, œsophage, pharynx, bouche, mais aussi les glandes salivaires, gastriques et intestinales, le pancréas, le foie, la vésicule biliaire
   Système locomoteur	Déplacement	Squelette - os et articulations - et muscles