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Biologie cellulaireCHAPITRE 2 : LA THÉORIE CELLULAIRECMLe terme de cellule, est apparu dans un livre, où il était écrit, qu’une cellule ressemblait à une série de petites boites (liège=tissu mort, donc plus de cellules dedans), découvert par Robert Hooke en 1665. C’est également, lui, qui a inventé ...

Description

Biologie cellulaire CHAPITRE 2 : LA THÉORIE CELLULAIRE CM3 Le terme de cellule, est apparu dans un livre, où il était écrit, qu’une cellule ressemblait à une série de petites boites (liège=tissu mort, donc plus de cellules dedans), découvert par Robert Hooke en 1665. C’est également, lui, qui a inventé le microscope. Mais les cellules qui l’aurait observé, ne ressemble pas à une cellule d’aujourd’hui (elle n’était pas vivante). C’est Antonin Van Leeuwenhoek qui observe la première cellule vivante ainsi que la première bactérie. Grâce à un outil qu’il a inventé lui-même. Il a pu observer aussi des spermatozoïdes. Théorie cellulaire : de 1830 à 1860 Brown, en 1831, observe des noyaux de cellules d’orchidée. Schwann, en 1839, publie Recherches microscopiques sur la concordance dans la structure et dans la croissance des animaux et végétaux. Schleiden et Schwann, en 1838, définissent une cellule comme étant une unité structurale et fonctionnelle des plantes et des animaux. Actuellement, une cellule serait plutôt définie comme, un compartiment isolant un ensemble de macromolécules du reste de l’univers. L’élément fondamental d’une cellule, c’est ce qui lui permet d’isoler, la membrane.

CM4 I.

La compartimentation (et la réalisation de ses problèmes)

1-a membrane biologique : exemple de la MP Pour étudier la membrane on se base sur un exemple, la membrane plasmique. Il existe d’autres membranes dans la cellule qui fonctionne avec le même concept. La MP, on peut y avoir accès, dans un œuf, le jaune est un ovocyte, c’est-à-dire, une cellule. Une cellule n’est pas forcément petite (neurone). Le jaune possède donc une MP, on peut voir que c’est résistant. On a aussi trouvé un matériel expérimental sur lequel on a pu étudier la MP, ce sont les hématies ou GR. Quand on regarde en microscopie le contenu d’une hématie, on observe qu’il n’y a rien, on observe que la membrane.  Étude expérimentale On cherche à obtenir des données par différentes techniques mises à disposition. La 1ère technique utilisée c’est l’utilisation du microscope, mais ici, on ne voit pas grand-chose. On est obligé de fixer toutes molécules les unes par rapport aux autres pour la microscopie. On emploie donc un fixateur qui est très utilisé, c’est le tétroxyde d’osmium, qui est un oxydant puissant. Grâce à de la ME, on obtient ces 2 coupes d’hématies. On observe 2 lignes parallèles, on a donc 2 structures parallèles. L’épaisseur de cette membrane est de 7,5 nm, ce qui est extrêmement petit. Dans une membrane, il y a des lipides et des protéines. Mais le constituant majeur en masse, ce sont les protéines avec 60%, puis les lipides avec 40%.

Dans la membrane du GR, on va trouver des phospholipides (construit à partir d’un groupement phophatidyl portant un alcool à côté=2AG+tête hydrophile), la plus importante ici, est la phosphatidylcholine. Le 2ème lipide que l’on va trouver c’est le cholestérol, il y a dans la membrane beaucoup de cholestérol. Enfin, la 3ème catégorie de lipide que l’on va trouver, ce sont les glycolipides (construit sur la sphingosine, qui porte un oligosaccharide ramifié). Les lipides sont communs à toutes les membranes. Cependant, leurs proportions peuvent varier.

Les protéines vont être très différentes d’une membrane à l’autre. On peut étudier les protéines d’une membrane par des techniques d’électrophorèse, notamment le SDSPAGE (Sodium Dodecyl Sulfate-PolyAcrélamide Gel Electrophoresis). Le principe d’une électrophorèse est de faire migrer des protéines sur un gel en fonction de leurs charges électriques. Le résultat est un étalement des protéines. Dans un gel, on a toujours des protéines que l’on connait, nous servant de référence. On établit une comparaison entre les références et nos résultats. À gauche, c’est une électrophorèse d’hématie. On peut donc, à partir de ce résultat établir la masse moléculaire de ces protéines.

On observe donc plusieurs bandes, que l’on a caractérisé grâce aux références. Pour caractériser une membrane, il ne faut pas se pencher sur les lipides, mais sur les protéines qu’elle contient. Les lipides sont les seuls à ne pas être des polymères, les lipides sont donc des molécules petites. Si en masse les lipides sont minoritaires, mais en nombre, les lipides sont

majoritaires. Puisqu’ils sont beaucoup plus petits que les protéines. Les lipides sont amphiphiles. Dans un milieu aqueux, on obtient des bicouches. La base de l’organisation des membranes est la formation de bicouches lipidiques. Les molécules vont donc s’organiser dans l’espace, en plaçant leur pole hydrophile à la surface et en plaçant leur pole hydrophobe à l’intérieur. La membrane est une barrière hydrophobe. Ce résultat est obtenu de façon spontanée, sans dépense d’énergie. Il y a 2 types d’approches pour savoir où les protéines vont se loger : -1ère approche, biochimique : c’est la façon dont on les récupère, on en déduit comment elles sont accrochées. ->extraction par traitement salin (haute force ionique) : protéine extrinsèque, ce sont ces protéines que l’on peut récupérer à partir d’une membrane. ->Quand on veut récupérer celles que l’on n’a pas pu récupérer, il faut traiter la membrane avec une molécule particulière. On emploiera une extraction par détergent (SDS= molécule chargée qui va déstabiliser beaucoup d’interactions), grâce au détergent on va pouvoir récupérer toutes les protéines qui n’ont pas pu être prises avec la solution saline. Ici, on récupère les protéines intrinsèques. L’intérêt de ces techniques nous permettent de savoir où elles se situent dans la membrane. Avec la solution saline, cette dernière va perturber les interactions hydrophiles, donc les protéines extrinsèques sont maintenues par des interactions hydrophiles (liaisons ioniques, liaisons H) avec la membrane, elles agissent donc avec la zone hydrophile de la membrane, soit la tête. Lorsqu’on met un détergent on détruit aussi les interactions hydrophobes, on fait en sorte que les molécules hydrophobes ne se rassemblent plus. Les protéines intrinsèques agissent avec la zone hydrophobe, soit les AG.

Approche biochimique : nous testons des produits, et nous déduisons les propriétés des produits d’informations qui nous intéresse. -2ème approche, approche structurale : Il y a des protéines, auxquelles nous pouvons y avoir accès que l’on passe d’un côté ou de l’autre de la membrane. On essaie de greffer aux protéines des molécules, dans certains cas cette molécule passe d’un côté à l’autre. Ce qui

veut dire que la protéine est accessible d’un côté comme de l’autre de la membrane, donc la molécule traverse la membrane. Ce sont des protéines transmembranaires, aussi appelé protéine intégrée ou intégrale. Ces protéines sont intrinsèques, il faut donc un détergent pour les récupérer. On observe un 2ème type de protéine, ce sont des protéines que l’on peut y avoir accès que d’un côté. Ce sont des protéines périphériques ou superficielles car elles sont à la superficie de la membrane.

 Le modèle de Singer et Nicholson : modèle de la mosaïque fluide Toutes informations du dessus peuvent être synthétisées sous forme d’un modèle, celui de Singer et Nicholson en 1972, appelé le modèle de la mosaïque fluide. La base de cette MP, c’est une bicouche phospholipidique qui contient des phospholipides et des glycolipides. On peut voir aussi des oligosaccharides (polymère d’une vingtaine d’oses ramifiés) rattachés aux lipides, on parle donc de glycolipides. Il y a également du cholestérol présent dans les 2 couches de la membrane, c’est quasiment 1 lipide sur 2 molécules. C’est une molécule très importante pour les membranes. Associés à cette bicouche, on va trouver des protéines, essentiellement des protéines transmembranaires ou des protéines périphériques que l’on va trouver, soit du côté extracellulaire, soit du côté intracellulaire. Il n’y a pas de glucides dans la membrane, cependant les seuls que l’on trouve sont sous forme d’oligosaccharide associés aux lipides, donc des glycoplipides ou aux protéines, donc des glycoprotéines. Tous les sucres sont tous du même côté. Pour certaines protéines superficielles, ces dernières sont logées sur les pôles hydrophiles, ce qui nécessite donc une solution saline pour l’extraire. Mais il existe des protéines superficielles dont l’ancrage se fait au niveau de la zone hydrophobe. Pour récupérer cette protéine, il faut donc l’utilisation de détergent.  Propriétés importantes -La membrane est maintenue par des liaisons faibles La propriété la plus importante, la membrane est structurée par des interactions faibles. Les molécules ne sont pas accrochées définitivement entre elles, les molécules peuvent bougées les unes par rapport aux autres. Entre les lipides, ces derniers sont maintenus entre eux par des « interactions hydrophobes », mais aussi par des interactions de Van Der Waals (ces derniers n’existent que si les atomes sont suffisamment proches l’un de l’autre). Les lipides ont une conformation préférentielle en zigzag. Entre lipides et protéines, il y a un peu près tous les types de liaisons qui peuvent exister. Entre protéines, on peut aussi avoir des interactions hydrophiles et hydrophobes selon la zone concernée.

La conséquence fondamentale sont des interactions faibles, les molécules donc bougent. Dans la vidéo, on peut voir 75 picosecondes de la vie d’une membrane, c’est un modèle de vibrations. En vert, on peut voir les lipides et en sphère ce sont les molécules d’eau. On peut voir que ça bouge beaucoup. La flèche noire est un repère qu’on a collé sur un phospholipide, et nous allons suivre ce phospholipide au cours du temps. Dans cette vidéo, on suit environ 5 secondes de la vie d’un lipide. En 5 secondes, un phospholipide fait environ 5 microns, il se déplace à une vitesse de 1 𝜇m/s, un lipide fait environ 1 nm, soit 10-9m. Le lipide se déplace dans le plan de la membrane, ce qui est parfaitement possible. Il y aurait un autre mouvement envisagé, c’est que ce phospholipide passe de l’autre côté de la membrane, ce mouvement est appelé un flip-flop, c’est un mouvement rare. La fréquence d’un flip-flop pour un phospholipide donné à 1 par mois (un fibroblaste renouvelle ses cellules toutes les 30min). Il y a donc aucune chance pour un lipide de changer de côté de la membrane. Pour envisager ce mouvement, il faut que le phospholipide traverse la barrière hydrophobe, c’est-à-dire que la tête hydrophile traverse la barrière hydrophobe. Cet acte est complètement improbable et demande beaucoup d’énergie. La tête hydrophile ne peut pas interagir avec la zone hydrophobe, elle ne passe pas donc à travers. Pour une protéine transmembranaire, la partie centrale va interagir avec la zone hydrophobe, et les extrémités vont interagir avec les zones hydrophiles.

 La fluidité membranaire est essentiellement régulée par ces interactions Le résultat de tous ces mouvements moléculaires, la fluidité va être régulée par les interactions faibles. La 1ère chose qui influence la fluidité membranaire, c’est la température. Les molécules vibrent sans cesse, et donc elles vont pouvoir changer de position. Ce qui influence cette vibration moléculaire, c’est la quantité d’énergie dans le milieu c’est la température. Si on apporte de l’énergie au milieu, la température augmente, on augmente donc l’agitation moléculaire (agitation thermique), si on augmente cette agitation, cela favorise le déplacement des molécules, la membrane est plus fluide. Si on diminue la température, on diminue l’agitation des molécules, on leur laisse plus de temps d’interagir entre elles, elles vont se coller les unes contre les autres. La diminution de la température va diminuer la fluidité membranaire. On peut voir à un certain moment que les phospholipides soient en conformation zigzag et vont tous interagir entre eux. Quand l’huile est dans un endroit froid, les

molécules se figent, elles restent collées les unes par rapport aux autres (majoritairement par des interactions de Van Der Waals). Les membranes prennent une texture de gel lorsqu’elles sont dans le froid. On passe d’une texture fluide, à une texture de gel en basse température. C’est une transition sol-gel. Si nous sommes en présence d’AG insaturés, ces derniers sont en configuration cis, ils prennent donc beaucoup de place. Le teneur en AG instaurés va augmenter la fluidité membranaire parce qu’elle empêche les lipides d’interagir entre eux. Ce phénomène est appelé l’adaptation homéovisqueuse. Une membrane contient beaucoup de lipides qui sont côte à côte, la fluidité membranaire provient des mouvements des phospholipides. Le cholestérol va limiter les déplacements, il va donc diminuer la fluidité membranaire, il rigidifie les membranes (à température constante). Plus on a de cholestérol, moins la membrane est fluide. Si on a du cholestérol à basse température, on fluidifie la membrane, parce que le cholestérol empêche les réactions de Van Der Waals. On note aussi l’existence de protéines périphériques (cytosquelette sousmembranire). On peut voir une ME, de membrane d’hématie à l’intérieur d’elle-même. On observe un réseau de protéines périphériques qui interagissent avec la membrane. Dans la membrane, on observe toute une série de protéines qui s’accrochent à la membrane. Ces protéines sont des protéines transmembranaires. Les lipides dans la membrane sont bloqués parfois par des protéines mais peuvent bouger d’un triangle à l’autre. Le cytosquelette permet de réguler des domaines de déplacement.  La membrane est asymétrique Les 2 couches de la bicouche lipidique ne sont pas équivalentes. Une seule couche de la bicouche est appelée une hémimembrane. L’hémimembrane du côté extracellulaire, c’est donc l’hémimembrane externe et on a aussi l’hémimembrane du côté intracellulaire appelée hémimembrane interne. Pourtant ces 2 hémimembranes ne sont pas identiques, cette différence peut s’illustrer avec la présence d’oligosaccharides. Ces derniers se situent tous sur l’hémimembrane externe. On peut faire des réactions en enfermant les molécules, que nous ne pourrons jamais faire s’ils ne sont pas enfermés. La membrane est donc une structure gratuite spontanément dans un milieu aqueux, elle permet aussi d’augmenter le rendement des réactions (et limite la diffusion des molécules).

2-compartimentation et problèmes osmotiques Ici, on observe une membrane perméable, d’un côté on a du solvant avec du soluté et de l’autre, on a que du soluté (rouge). La conséquence de cette diffusion, est que l’on obtient une concentration égale de solvant des 2 côtés, mais aussi de soluté.

Cette fois-ci, au lieu d’avoir une membrane perméable, on a une membrane hémiperméable. Elle laisse passer le solvant, mais ne laisse pas passer le soluté. Le volume de S a augmenté. L’origine de cette augmentation est due à la diffusion du liquide blanc car le volume de ce compartiment a diminué. Il y a donc un transfert de solvant. C’est l’effet osmotique. Le solvant va du côté du plus concentré vers le moins concentré (c’est aussi le principe de la diffusion). L’osmose est la description de la diffusion du solvant. Cette osmose entraine une augmentation de hauteur, mais en réalité de pression, c’est pour cela que l’on parle de pression osmotique. La pression osmotique mesure donc sa force pour attirer l’eau. À l’ajout d’un piston, on peut empêcher l’évolution précédente du système. La pression exercée peut s’opposer à la pression du solvant. Cette pression exercée pour éviter la diffusion est appelée « pression osmotique ».

Si on exerce une pression supérieure à la pression osmotique, alors on peut observer une osmose inverse. Seul le solvant peut passer, on peut même observer une augmentation de la hauteur du solvant.

La pression osmotique dépend de la concentration moléculaire. La pression osmotique ne peut pas dépendre de la taille car le glucose est plus lourd que NaCl. Mais ce NaCl se dissocie en Na+ et Cl- (quand on met du glucose dans l’eau on a du glucose, mais quand on met du NaCl dans l’eau, on a Na+ et du Cl-). La pression osmotique du NaCl est 2 fois plus grande que la pression osmotique du glucose car on 2 particules. Dans le dernier, on obtient 3 particules, soit : Na, Cl et du Cl.

CM5 L’osmolarité va donc dépendre du nombre de particules contenues dans une solution. Dans la cellule on va avoir 2 compartiments dans la membrane. On a un compartiment à l’intérieur de la membrane (intracellulaire) et un compartiment à l’extérieur (extracellulaire).

La membrane retient des molécules. Certaines de ces molécules peuvent rester à l’intérieur ou passer à travers. Si on fait diminuer la concentration en NaCl à l’extérieur de la cellule, la cellule devient plus grosse (tendance à gonfler). Si on augmente la concentration en NaCl à l’extérieur de la cellule, la cellule à tendance à se rétrécir. On observe une ME à balayage. On observe donc une variation de volume, qui serait due à un échange entre les 2 compartiments. Cette variation de volume est due à un mouvement d’eau, appelé un mouvement de solvant (osmose). La membrane cellulaire se comporte comme une membrane hémiperméable. On peut avoir une entrée ou une sortie d’eau de la cellule. La solution conservant l’état normal des GR est de 9g/l, appelée solution isotonique. Dans une solution à 0 g/l (de NaCl), on a donc la concentration la plus forte d’eau. L’eau agit donc de telle façon à se diffuser d’un endroit concentré vers un endroit moins concentré. Le GR va donc éclater et, au microscope, on observera un fantôme d’hématie, qui est en fait la membrane du GR éclaté. On peut voir qu’il y a présence de beaucoup de macromolécules dans une cellule (très dense). La membrane se comportant comme une membrane hémiperméable, les molécules restent à l’intérieur, ce qui va se diffuser à travers la membrane c’est l’eau. On favorise la réaction entre macromolécules, on arrive à une forte osmolarité, donc l’eau aura tendance à rentrer dans la cellule. Dans la cellule, il y a des macromolécules ainsi que des ions (micromolécules) et ce sont ces derniers qui sont majoritaires en nombre. Une cellule ressemble plus à un ensemble de macromolécules avec beaucoup d’ions. Concernant l’osmolarité, les ions étant majoritaire en nombre dans une cellule, les macromolécules sont négligeables devant celle des ions. Si la répartition des ions est équilibrée, alors la cellule n’explose pas. Si le flux d’eau est équilibré, cela veut dire que les ions sont équilibrés de part et d’autre de la membrane. Il existe 2 types de forces pour faire bouger un ion de part et d’autre de la membrane : -il y a une 1ère force liée au domaine de concentration (elles subissent l’osmose). -il existe également des forces électriques (en fonction aussi de leurs charges), qui vont entrainer des déplacements électriques de façon à engendrer une neutralité.

Cependant, une cellule qui contient des macromolécules, plus précisément des protéines, qui sont aussi chargées. Mais ces dernières ne peuvent pas être diffuser à travers la membrane. Ces protéines chargées ont tendance à attirer les ions contre elles, elles les immobilisent, ils ne sont plus en solution. Elles modifient la concentration des ions libres, la diffusion des ions vont donc s’inverser si la protéine nécessite des ions. La répartition des ions est influencée par la présence de macromolécules, qui sont chargées et non diffusibles. Cet effet est l’effet Donnan, c’est-à-dire qu’avec la présence de protéines chargées, on observe une accumulation intracytoplasmique. Cette accumulation empêche l’équilibre entre l’intérieur et l’extérieur car elle augmente la concentration de la cellule. Ce qui entraine une entrée d’eau et entraine la mort de la cellule en s’éclatant. La solution pour éviter cela est de dépenser de l’énergie. La dépense d’énergie dépend de la cellule. Par exemple chez les protozoaires, il y a existence de vésicule pulsatile (vacuole contractile) qui permet d’évacuer l’eau, ce qui permet un mouvement net d’eau équilibrée. Il y a également une deuxième solution trouvée par les cellules végétales (ainsi que les bactéries), ces dernières s’entourent d’une armure. C’est la paroi qui va permettre de résister au gonflement. La cellule végétale vit constamment sous pression, elle est dite en tur...