Biologie Cellulaire (BIO1101) - Cours 1 à 10

Jeu de fiches de révision couvrant les cours 1 à 10 de biologie cellulaire BIO1101 : organisation cellulaire, membranes, transports, noyau, cytosquelette, système endomembranaire, mitochondries, peroxysomes et chloroplastes.

Quelle est la définition biologique de la cellule et quel est l'ordre de grandeur de sa taille moyenne ?

La cellule est la plus petite unité capable de se reproduire et constitue tous les êtres vivants (au minimum une cellule). Sa taille moyenne est de l'ordre de quelques dizaines de $\mu\text{m}$, ce qui la rend généralement invisible à l'œil nu.

Quels sont les trois grands règnes cellulaires et quelles sont les caractéristiques des bactéries et des archées ?

Les 3 grands règnes sont les bactéries (ou procaryotes), les archées et les eucaryotes. Les bactéries et archées sont morphologiquement proches, mesurent environ $1\,\mu\text{m}$, possèdent un nucléoïde avec un ADN circulaire unique et des plasmides, sans autres organites. Les archées sont extrêmophiles.

Quelle est la structure des membranes biologiques et comment se disposent leurs lipides ?

Les membranes sont formées d'un tapis lipidique dynamique en perpétuel mouvement, interrompu par des protéines. Les lipides (majoritairement des phospholipides) sont amphiphiles avec une tête hydrophile et des queues hydrophobes d'acides gras, ce qui explique leur disposition en bicouche isolant les queues des milieux aqueux intra- et extracellulaires.

Qu'est-ce que le glycocalyx et quelles sont ses fonctions ?

Le glycocalyx (ou manteau cellulaire) est un ensemble de glucides associés à la face extracellulaire de la membrane plasmique sans faire partie de sa structure. Il participe à la reconnaissance cellulaire (ex. groupes sanguins ABO) et protège la cellule contre les agressions chimiques et mécaniques.

Quels paramètres régissent la diffusion simple selon la loi de Fick et quel type de molécules concerne-t-elle ?

La diffusion simple dépend du gradient de concentration, de la surface d'échange membranaire et du coefficient de perméabilité. Elle ne nécessite aucune protéine de transport (traduisible par une équation de droite) et privilégie les molécules de faible encombrement, non chargées et lipophiles, entretenues par les mouvements browniens.

Comment s'établit le flux net des ions $K^+$, $Na^+$ et $Cl^-$ à travers les canaux ioniques selon leur gradient électrochimique (GE) ?

Le GE est la résultante du gradient de concentration (GC) et du potentiel membranaire (PM). Pour $K^+$, le flux sortant du GC l'emporte sur le flux entrant du PM, donnant un flux net sortant. Pour $Na^+$, le GC et le PM s'additionnent, entraînant un flux net entrant. Pour $Cl^-$, le flux entrant du GC compense le flux sortant du PM, donnant un flux net nul.

En quoi consiste la diffusion facilitée par perméases et que représentent les paramètres $J_{\max}$ et $K_m$ ?

La diffusion facilitée permet un transport plus rapide que la loi de Fick grâce à des perméases (transférases) subissant des changements de conformation. La saturation correspond à un flux maximal $J_{\max}$. La constante d'association $K_m$ est la concentration correspondant à $\frac{1}{2} J_{\max}$ et permet de quantifier l'affinité de la perméase pour la molécule.

Quel est le mécanisme de la pompe $(Na^+, K^+)\text{ATPase}$ ?

C'est un transport actif primaire couplé et hautement spécifique consommant directement l'ATP (par phosphorylation et déphosphorylation). Elle expulse $3\,Na^+$ et fait entrer $2\,K^+$ contre leurs gradients respectifs, ce qui génère une sortie nette de charges positives à l'origine du potentiel membranaire.

Quelle est la différence entre un transporteur symport et un transporteur antiport en transport actif secondaire ?

Un symport déplace l'ion moteur (souvent $Na^+$) et la molécule couplée dans la même direction (ex. symport $Na^+/\text{glucose}$ électrogène des entérocytes). Un antiport déplace l'ion moteur et la molécule couplée dans des directions opposées (ex. antiport $Na^+/H^+$ électroneutre des néphrons).

Comment est structuré le Complexe du Pore Nucléaire (CPN ou annulus) et comment régule-t-il les échanges ?

Le CPN est constitué d'une trentaine de protéines à symétrie octogonale interrompant l'enveloppe nucléaire. Il assure une diffusion simple pour les petites molécules et un transport actif énergivore, impliquant les protéines de l'annulus, pour les grosses molécules (nucléotides, protéines, ARNs).

Quels sont les sucres et les bases azotées respectifs constituant l'ADN et l'ARN ?

L'ADN est composé du sucre désoxyribose et des bases Adénine (A), Guanine (G), Cytosine (C) ou Thymine (T). L'ARN est composé du sucre ribose et des bases Adénine, Guanine, Cytosine ou Uracile (U).

Quelle est la structure spatiale de l'ADN et comment ses bases sont-elles associées ?

L'ADN est constitué de 2 brins polarisés (extrémités $5'$ et $3'$) et antiparallèles formant une double hélice. Les bases forment des barreaux reliés par des liaisons faibles hydrogène avec pour seuls appariements possibles A-T et C-G. Le décalage de plan des bases appariées assure la forme hélicoïdale et sa stabilité.

Comment s'organise l'ADN pour passer de la molécule linéaire aux chromosomes visibles en mitose ?

L'ADN s'associe à des protéines (histones) pour former des nucléosomes. Les chaînes de nucléosomes s'enroulent pour former des fibres de chromatine, qui s'organisent ensuite en boucles. En début de mitose, ces boucles s'enroulent sur elles-mêmes pour faire apparaître les chromosomes très compactés.

Quelles sont les caractéristiques majeures de la réplication de l'ADN en phase S ?

La réplication est semi-conservative et bidirectionnelle. Les deux brins de la molécule mère sont séparés par rupture des liaisons hydrogène, puis l'ADN polymérase synthétise les brins complémentaires dans le sens $5' \rightarrow 3'$ en suivant l'ordre des bases de la matrice.

Quel est le rôle du nucléole ?

Le nucléole est une zone du noyau constituée d'ADN et de protéines où s'effectue la synthèse des sous-unités ribosomiques (qui s'assembleront ultérieurement dans le cytoplasme lors de la traduction).

Quels arguments soutiennent l'origine bactérienne des mitochondries ?

Leur taille, la présence de deux membranes limitantes, la possession d'un ADN propre et leur capacité autonome à réaliser des synthèses protéiques.

Comment les mitochondries produisent-elles l'ATP à partir du cycle de Krebs et de la chaîne respiratoire ?

Le cycle de Krebs dans la matrice convertit l'énergie chimique en électrons à haute énergie. Ces électrons alimentent 4 complexes enzymatiques de la membrane interne (chaîne respiratoire) qui pompent des protons vers la chambre externe. Le gradient de protons et la différence de pH ainsi créés activent l'ATP synthase pour phosphoryler l'ADP en ATP, l'oxygène étant l'accepteur final d'électrons (formant de l'eau).

Quelle est l'organisation structurale des filaments intermédiaires (FI) et leur rôle physiologique ?

Les FI sont formés de protéines filamenteuses associées en tétramères, dont 8 s'enroulent pour former un câble ancré dans la membrane plasmique. Très stables et à renouvellement lent (plusieurs minutes), ils confèrent à la cellule et au noyau leur résistance mécanique face aux contraintes (ex. kératines, neurofilaments et lamines).

Comment sont structurés les microtubules et quel mécanisme sous-tend leur instabilité dynamique ?

Les microtubules sont formés de dimères de tubulines $\alpha$ et $\beta$ alignés en 13 protofilaments formant un cylindre creux polarisé (extrémité $+$ libre, extrémité $-$ liée au centrosome). L'instabilité dynamique provient de l'hydrolyse du GTP porté par la $\beta$-tubuline : avec le temps, le GTP est hydrolysé, affaiblissant les liaisons et libérant les dimères à l'extrémité.

Quelles sont les protéines motrices associées aux microtubules et dans quelle direction se déplacent-elles ?

Les kinésines se déplacent vers l'extrémité $+$ et les dynéines vers l'extrémité $-$ des microtubules. Elles hydrolysent l'ATP pour changer de conformation moléculaire et transporter des organites, vésicules ou chromosomes.

Quelle est la structure de l'axonème dans les cils et flagelles et comment produit-il le mouvement ?

L'axonème possède 9 doublets de microtubules périphériques et 2 centraux ancrés dans le corpuscule basal. La dynéine ciliaire fixée à un microtubule hydrolyse l'ATP pour glisser le long du doublet adjacent vers son pôle $-\,$, courbant le cil ; le retour à la position initiale est passif.

Comment s'organisent et polymérisent les microfilaments d'actine F ?

L'actine F résulte de l'enroulement en hélice de deux chaînes d'actine globulaire (actine G) polarisée et liée à l'ATP par son pôle $-\,$. L'actine F est polarisée avec une croissance lente à l'extrémité $-$ et rapide à l'extrémité $+$. L'hydrolyse de l'ATP affaiblit les liaisons entre actines G, conférant son caractère dynamique.

Quel est le rôle du $Ca^{++}$, de la troponine et de la tropomyosine dans la contraction musculaire ?

Le $Ca^{++}$ libéré par le réticulum sarcoplasmique se lie à la troponine, ce qui déplace la tropomyosine et démasque le site de fixation actine/myosine. Le contact déclenche l'activité ATPase de la tête de myosine, libérant l'énergie nécessaire à son pivotement comme un levier pour faire glisser l'actine et raccourcir le sarcomère.

Quelles sont les trois fonctions majeures du réticulum endoplasmique lisse (REL) ?

1) Le stockage du $Ca^{++}$ intracellulaire via la pompe $(Ca^{++})\text{ATPase}$. 2) La synthèse des hormones stéroïdes dérivées du cholestérol (œstrogènes, androgènes, progestérones, cortisol) et des phospholipides membranaires. 3) La détoxication de l'organisme (surtout dans le foie, les reins et les poumons) en rendant les toxiques plus hydrosolubles.

Quelle est la polarité de l'appareil de Golgi et quel est son rôle dans le transit protéique ?

L'appareil de Golgi est formé de dictyosomes possédant une face 'cis' (recevant les vésicules du REG) et une face 'trans' (bourgeonnant des vésicules de transport). Il assure le tri, la maturation terminale (structure tertiaire finale, glycosylations) et l'étiquetage des protéines néoformées vers leur destination.

Comment se différencient les lysosomes des endosomes et quel est leur fonctionnement digestif ?

Bien que morphologiquement identiques, les endosomes contiennent des molécules issues de l'endocytose tandis que les lysosomes renferment des enzymes hydrolytiques. Tous deux maintiennent un $\text{pH} \approx 5$ via des pompes à protons. Les lysosomes dégradent des composés extracellulaires (hétérophagie) ou intracellulaires (autophagie) pour recyclage.

Quelles sont les étapes principales de la traduction de l'ARNm en protéine ?

Les ribosomes lisent l'ARNm dans le sens $5' \rightarrow 3'$ entre les codons start et stop. Les ARNt porteurs de l'anticodon apportent l'acide aminé correspondant au codon (triplet de bases). L'allongement de la chaîne s'achève lorsqu'un facteur de libération atteint le codon stop.

Quelle est la différence entre l'exocytose constitutive et l'exocytose contrôlée ?

L'exocytose constitutive est continue et concerne les protéines destinées à la membrane plasmique ou au liquide extracellulaire. L'exocytose contrôlée est réservée aux cellules sécrétrices qui ne libèrent leur contenu (hormones, enzymes digestives, neuromédiateurs) qu'après stimulation par un signal extérieur (dépolarisation ou hormone).

Quels sont les rôles des enzymes oxydases et catalase au sein des peroxysomes ?

Les oxydases dégradent les molécules lipidiques en présence d'oxygène ($O_2$), produisant du peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$). La catalase dégrade ensuite ce composé toxique et instable en eau et oxygène ($H_2O_2 \rightarrow H_2O + \frac{1}{2}O_2$), protégeant la cellule contre l'oxydation et détoxifiant des substrats comme l'éthanol dans le foie.

Comment s'organisent les deux phases de la photosynthèse dans le chloroplaste ?

Les réactions lumineuses ont lieu au niveau de la membrane des thylacoïdes, où la chlorophylle capte les photons pour produire de l'$O_2$, de l'ATP et du NADH. Le cycle de Calvin se déroule ensuite dans le stroma en utilisant ces substrats énergétiques et le $CO_2$ pour synthétiser des glucides à 3 carbones.

Comment s'illustre l'interdépendance énergétique entre les chloroplastes et les mitochondries ?

La photosynthèse dans les chloroplastes utilise le $CO_2$ et libère de l'$O_2$ tout en convertissant l'énergie lumineuse en énergie chimique (sucres). La respiration cellulaire dans les mitochondries utilise cet $O_2$ et cette matière organique pour produire de l'ATP, en rejetant du $CO_2$.