Chapitre 1 : La cellule — Généralités et techniques d'étude
1) Bases de biologie cellulaire
Petit historique
Développement du concept de cellule attribué à l’époque du siècle des microscopes (ordre probable : XVIIe siècle) avec des contributions clés de Hooke et L. van Leeuwenhoek; les notions modernes des cellules ont été consolidées par les travaux de Schleiden et Schwann et d’autres à l’époque du XIXe siècle.
Principales idées (résumé rapide)
Les cellules sont l'unité de base de la vie; elles réalisent toutes les fonctions vitales (métabolisme, génération d’énergie, reproduction, etc.).
Distinction entre procaryotes et eucaryotes (organites, noyau, compartimentation, cytosquelette).
2) Ordres de grandeur des éléments biologiques
Axone d’un neurone : plusieurs dizaines de micromètres à plusieurs dizaines de centimètres voire jusqu’à 1 m de long.
Cellule humaine typique: environ 10–30 μm, selon le type cellulaire.
Globules rouges (érythrocytes): environ 7 μm de diamètre.
Mitochondrie: environ 0,1–1 μm de diamètre; longueur variable selon le type.
Ribosomes: ordre de grandeur ~10–20 nm.
Virus/organites: gamme de tailles nm à μm selon le niveau d’observation.
Membrane plasmique: épaisseur environ 5–10 nm par feuillet, ~8–10 nm totale (bicouche).
Lysosome: ~0,1–1 μm.
3) Organisation fonctionnelle de la cellule
Procaryotes vs eucaryotes
Procaryotes : pas de noyau ni d’organites délimités; matériel génétique sous forme d’un chromosome circulaire; cytosol libre; paroi fréquente; respiration et synthèse d’énergie associées à la membrane plasmique; ribosomes 70S; pas de mitochondries.
Eucaryotes : noyau délimité par une envelope nucléaire, cytosol avec organites (RER, REL, Appareil de Golgi, lysosomes, mitochondries, peroxysomes, etc.), cytosquelette et compartimentation fonctionnelle accrue; codes génétiques organisés en chromosomes; présence de mitochondries et d’organites spécialisés.
Notions complémentaires
Les organites permettent d’accroître l’efficacité des réactions biologiques par compartimentation et localisation des voies métaboliques dans des sous-cellules spécialisées.
Le cytosol contient la machinerie nécessaire à la traduction et digestion, et abrite les composants du cytosquelette.
4) Techniques d'étude de la cellule
Méthodes morphologiques
Observation au microscope (MO), observation par microtomie et coupes, préparation et coloration des échantillons; préparation cryostatique et observation en cryo-MO ou ME.
Préparation des coupes: fixation chimique ou observation en vivant (préservation temporaire par congélation et cryotome).
Méthodes morphologiques avancées
Cytométrie en flux (FACS): tri et quantification des cellules marquées par des fluorochromes; analyse de protéines membranaires et intracellulaires; typage cellulaire et analyse du cycle cellulaire.
Chromatographie: séparation de molécules selon leur taille, charge ou affinité; exemples incluent chromatographie d’exclusion (taille), d’affinité (liaison spécifique), et échangeuse d’ions.
Électrophorèse: séparation des protéines par poids moléculaire après dénaturation (SDS-PAGE) et analyse des profils protéiques.
Techniques d’étude in situ et moléculaires
Histochimie et colorations (PAS, Schiff, Feulge-Rosenberg) pour déceler les glucides et acides nucléiques.
Immunohistologie et immunofluorescence: marquage d’antigènes par des anticorps primaires et secondaires; détection par fluorescence ou enzymation; immunohistologie indirecte et marquage hyperfluorescent.
Microscopie confocale et immunocytochimie: localisation précise dans les coupes et tissus.
5) Concepts et repères importants
Tous les chiffres et équations clés ci-dessous utilisent les notations usuelles en biologie cellulaire; les équations essentielles apparaissent en fin de chapitre ou à côté des sections correspondantes.
Chapitre 2 : Système endomembranaire et trafic intracellulaire
1) Transfert des protéines dans le réticulum endoplasmique (RE) via les ribosomes
Synthèse des protéines sur polysomes libres dans le cytosol; certaines protéines destinées à l’export ou à la membrane passent par le RE (RER) et la lumière du RE est le site de traduction cotranslationale.
Le signal peptide en début de chaîne est reconnu par la particule SRP (Signal Recognition Particle);
Liaison SRP - ribosome dirige le ribosome vers le récepteur SRP sur la membrane du RE.
Translocation cotranslationale à travers le translocon (canal protéique dans la membrane du RE).
À l’entrée dans la lumière du RE, la traduction se poursuit et le peptide signal est souvent clivé par une signal peptidase; la protéine est insérée dans le RE luminal ou intégrée dans la membrane du RE selon le type de protein.
2) Trafic et adressage des protéines : du RE au réseau Golgi
Protéines destinées à être sécrétées ou résidentes des compartiments endomembranaires transitent par l’Appareil de Golgi.
Voie anterograde RE → Golgi est véhiculée par des vésicules recouvertes de COPII; rétrograde Golgi → RE par COPI; endocytose et trafic via clathrine et d’autres voies (vésicules COPI/II, clathrine, caveolae).
Ordre d’acheminement et triation dans le Golgi : cis Golgi → médial Golgi → trans Golgi; les protéines subissent des modifications et des glycosylations successives (voir Ci-dessous).
3) Compartiments et glycosylation
Le Golgi comprend trois zones fonctionnelles : cis (formation et tri initial), médial (modifications glycoprotéiques), et trans (réacheminement et destination des protéines).
N-linked glycosylation et triage : un oligosaccharide préformé est transféré sur l’Asn des protéines dans le RE par l’enzyme OST (oligosaccharyltransferase).
Dans le Golgi, les chaînes oligosaccharidiques subissent des étapes d’élongement et de modification : enlèvement de mannose, ajout de GlcNAc, galactose, sialic acid, etc., conduisant à des glycoprotéines à fonction et localisation spécifiques.
4) Coats et mécanismes de fusion des vésicules
Coats : COPII (RE → Golgi), COPI (Golgi → RE et trafic rétrograde dans le Golgi), et clathrine (rapports endomembranaires, tri vers endosomes/lysosomes ou membrane plasmique).
Reconnnaissance et fusionvésiculaire : Rab GTPases (dialecte de docking et de trajectoire), SNAREs (v-SNARE sur la vesicule et t-SNARE sur la membrane cible) coordonnent l’appariement et la fusion. NSF et SNAP hydrolysent de l’ATP pour disassembler les SNARE après fusion.
5) Rôles des organites et voies associées
Appareil de Golgi : tri, mature et adressage des protéines; modification des sucres et des résidus glycosylés; rôle clé dans la maturation des protéines destinées à la sécrétion ou à la membrane.
Lysosomes et endosomes : dégradation et recyclage des composants; endosomes précoces → endosomes tardifs → fusion dans les lysosomes; rôle des hydrolases acides et du pH basique pour l’activité enzymatique et le tri des récepteurs (phénomène de recyclage des récepteurs).
Véhicules de transport et mécanismes : bourgeonnement et libération des vésicules par manteaux protéiques; rôle des SNAREs, Rab, et des protéines chaperonnes dans le ciblage et la fusion.
6) Voie de sécrétion et endocytose
Voie constitutive : sécrétion continue des protéines; endocytose et recaptage secourent l’acheminement des protéines et des lipides à la surface.
Voie régulée : sécrétion déclenchée par des signaux (exocytose régulée par des signaux intracellulaires; stockées dans des granules jusqu’à la libération).
7) Exemples et notions complémentaires
Structure et organisation des organites : noyau, réticulum endoplasmique rugueux (RER) et lisse (REL), appareil de Golgi, lysosomes, peroxysomes, mitochondries, ribosomes; centresome et nucléole; pores nucléaires.
Voie de maturation et trafic des protéines : les protéines trans-membranaires possèdent des topologies spécifiques (voir Chapitre 4).
Exemples de mécanismes de transport et de ciblage : endocytose et phagocytose (clathrine dépendent, dynamine), endocytose par manteau de clathrine; phagocytose dans certaines cellules; pinocytose à manteau lisse (non spécifique).
Chapitre 3 : Problèmes liés à la compartimentation
1) Osmose et osmolarité
Définition : mouvement d’eau à travers une membrane semi-perméable suivant les gradients de solutés;
Osmose et osmolarité:
Osmotic pressure: Π=iMRT, où $i$ est le facteur d’ionisation, $M$ la molarité, $R$ la constante des gaz, et $T$ la température.
États des milieux et conséquence sur les cellules : hypertonique, iso-osmotique (isotonique), hypotonique; passage d’eau selon le gradient de solutés.
2) Diffusion et transport membranaire
Diffusion simple : mouvement passif de petites molécules non chargées selon le gradient de concentration; rapide pour petites molécules non polaires et lipophiles; dépend de la taille et de la lipophilicité.
Diffusion facilitée : diffusion assistée par des protéines porteuses ou des canaux; peut être saturable; ne nécessite pas d’énergie, mais suit le gradient de concentration. Les canaux ioniques et les transporteurs peuvent être sélectifs et régulés (ex. aquaporines pour l’eau; transporteurs GLUT pour le glucose).
Transport actif : nécessite de l’énergie; peut déplacer des solutés contre leur gradient.
Transport actif primaire : pompe Na+/K+-ATPase (exporte 3 Na+ et importe 2 K+ parATP hydrolysé); dépense d’énergie directe pour créer un gradient électrochimique.
Transport actif secondaire (co-transport): dépend d’un gradient établi par le transport actif primaire; symport et antiport (ex. symport glucose-Na+; antiport Na+/H+).
3) Applications et exemples
Aquaporines : canaux spécifiques pour l’eau.
Canaux voltage-dépendants et ligand-dépendants : régulation du passage des ions, réponse aux signaux électriques et chimiques.
Saturation et vitesse des transports : les transporteurs ont une capacité limitée; l’état d’équilibre est atteint rapidement avec des flux voisins au maximum lorsque les transporteurs sont saturés.
Protéines membranaires : majoritairement des protéines membranaires et des glycoprotéines; glécologénique et récepteurs; des glycoprotéines et lipides qui participent à la signalisation et à l’adhérence.