محاضرات لطلبة البيولوجيا سنة أولى lmd

هذه عبارة عن مجموعة من المحاضرات المتعلقة بمقياس Biologie cellulaire

Organisation cellulaire

Contrairement à ce que l'on pense, les cellules ne sont pas toutes
construites sur le même schéma. Bien sûr, elles se ressemblent, elles
sont toute constitué d'un cytoplasme entouré d'une membrane,
contiennent un génome à base d'ADN et les même règles physiologiques
peuvent dans la plupart des cas, s'appliquer à toutes. Mais au delà de
ces ressemblances, il existe des différences fondamentales. Il ne
s'agit pas de simples différences morphologique, mais des architectures
cellulaires fondamentalement différentes. Ces différences permettent de
différencier deux types de base d'organisation cellulaires et trois
grandes branches dans l'arbre généalogique de la vie. Ces types sont
disjoints, il n'y a aucun intermédiaires entre eux.
Les domaines du vivant

Les scientifiques du passé avaient divisé le monde en 3 règnes :
animal, végetal et minéral. Cette description, basée sur ce qui était
visible à l'oeil nu était inexacte parce qu'elle oubliait tout un pan
de la vie tout en lui reliant le monde non-vivant. La découverte des
cellules au XVIIeme sciecle puis celle des organismes unicellulaires ne
va pas modifier cet état de chose; en se basant sur l'autotrophie et
l'hétérotrophie de ces organismes unicellulaires, ils seront répartis
entre végétaux et animaux. C'est ainsi que les bactéries sont classées
dans les végétaux.
En 1866, Haeckel estime que cette répartition est inadaptée, il
regroupe les unicellulaires dans un nouveau regne, les protistes. La
decouverte du microscope électronique au debut du sciecle va permettre
de découvrir la différence fondamentale entre les bactéries et les
autres cellules. Cela abouti en 1938 à la séparation du règne des
monères (ou procaryote) depuis les protistes par Copeland. En 1969,
Whittaker sépare les champignon des végétaux et crée le régne des
fongidés. 9 ans plus tard, avec Margulis, il effectue un ultime
remaniement de la classification en séparant les algues
pluricellulaires des végétaux et en les regroupant avec les protistes.
L'ensemble est renommé proctociste.
Dans les années 70, le monde vivant comportait donc deux grands types
cellulaires, les procaryotes et les eucaryotes, le second ayant connu
une évolution variée lui ayant permis de générer 4 régnes alors que les
procaryotes semblaient moins diversifiés. Plus récemment, les progrés
de la biologie moléculaire vont permettre d'effectuer une nouvelle
découverte. Les procaryotes peuvent être divisée en deux groupes
cellulaires aussi fondamentalement différents que le sont les bactéries
des eucaryotes : les eubactéries et les archéobactéries. Cette
decouverte abouti à la proposition par Woese en 1990 d'une division du
monde vivant en 3 domaines basés sur la structure cellulaire:
eubactéries, archéobactéries et eucaryotes.
Les eucaryotes

Les Eucaryotes sont les cellules qui constituent tout l'environnement
que nous voyons, les plantes, les animaux et champignons ainsi que
divers espèces unicellulaires tels que les amibes ou les paramécies.
Ils sont caractérisées par la présence d'organites, sortes d'organes
intracellulaire. Parmi eux, un organite est toujours présent : le
noyau, qui contient l'information génétique de la cellule. Il est
d'ailleurs à l'origine du nom de ce type (eucaryote = vrai noyau en
latin). La structure génétique de ces cellules est constituée de
plusieurs brins linéaire d'ADN (les chromosomes) et par des gènes en
"mosaique", c'est à dire que les zones codantes du gène sont découpées
en morceaux qui sont séparés par des zones non codantes.
Les originalités des eucaryotes ne se limitent pas à des considérations
génétiques. Celles-ci sont souvent de grande taille, ce qui les
fragilise et diminue leur surface d'échange avec le milieu extérieur.
Mais surtout, elles vont développer un cytosquelette, sorte de
charpente intracellulaire mobile qui va permettre à la fois de se
rigidifier (et de compenser leur fragilité) et de se déformer de façon
contrôlée, phénomène qui est à l'origine du mouvement des animaux, mais
aussi des cellules phagocytaire et qui est donc directement responsable
de la grande variété des formes animales qui existent.
Les procaryotes

Par opposition, les procaryotes sont les cellules sans noyau. Ces
cellules sont de petites tailles et sans organites intracellulaires.
Leur matériel est constitué d'un unique chromosome circulaire et de
divers morceaux d'ADN également circulaires mais beaucoup plus petit et
en nombres variables (meme entre les individus d'une meme espèce, voire
à des moments différents de la vie d'un meme individu) , les plasmides.
En effet, alors que le chromosome se duplique de façon synchronisée
avec la division cellulaire, les plasmides se repliquent de façon
indépendante et sont répartis au hasard entre les deux cellules filles
lors d'une division. De plus, certains plasmides ont la capacité de
s'intégrer provisoirement au chromosome. Enfin, ces cellules ne
contiennent pas de cytosquelette. Elles sont en général rigidifiées par
un revetement externe et sont indeformables sauf chez les plus petites
espèces). La structure des gènes différe également de ceux des
eucaryotes, chez les procaryotes, ils sont continus et plusieurs
d'entre eux sont regroupés au sein d'un meme ensemble fonctionnel,
l'operon.
Eubactéries et archéobactéries

Pendant longtemps, procaryote a été synonyme de bactérie, jusqu'à la
découverte en 1990 d'un type cellulaire nouveau, de toute évidence
procaryote, mais qui ne sont pas des bactéries. Les bactéries ont donc
été renommées eubactéries (vrai bactéries) et ce nouveau type
cellulaire archéobactérie. Ces dernières partagent avec les eubactéries
la possession d'un chromosome circulaire unique et l'absence de
cytosquelette. Mais elles comportent aussi des caractères eucaoryotes
tels que les gènes en mosaique et une structure génétique semblable.
Ces caractèristiques intermédiaires les ont fait considerer comme les
ancetres des deux groupes. Toutefois, elles disposent de particularités
originales, leur membrane notamment est constitituée de lipides
retrouvés nulle part ailleurs dans le monde vivant. La principale
caractéristique des archeobactéries, à l'origine de leur popularité,
est leur capacité a survivre dans les milieux extrèmes : eaux trés
acides (pH < 1) ou très salées (mer morte) ou très chaude ( >
120°C) ou très froides ( < 0°C), bien que la plupart d'entre elles
vivent dans des milieu plus cléments.
Les procaryotes

Morphologie des prokaryotes
Aspect général des procaryotes

Selon leur aspect les bactéries peuvent être regroupées en plusieurs
catégories. Ces catégories sont purement descriptives et ont peu à voir
avec la phylogénie de ce groupe.
Les cocci

Les cocci sont des bactéries rondes. Ces bactéries peuvent vivre de
façon isolée mais elles sont en général regroupées en structures
pseudo-pluricellulaires. A chaque division, les cellules filles restent
collées. Selon les cas, on peut obtenir trois types de structures :

Les diplocoques : les cellules sont regroupées deux par deux.
Les streptocoques : les cellules forment une chaine linéaire.
Les staphylocoques : les cellules forment une petite grappe.
Les bacilles

Les bacilles sont des bactéries allongées. Elles vivent en général
solitaires mais peuvent à l'occasion se regrouper en structure
pseudo-pluricellulaires. Par leur morphologie on distingue deux groupes
:

Les bacilles sont des cellules allongées droites.
Les vibrions sont des cellules incurvées.
Les spirilles

Les spirilles sont les plus étranges des bactéries. Elles ont en effet une forme hélicoidale.

Structure interne des procaryotes

Les membranes

Les bactéries possèdent toutes une membrane plasmique qui les entoure qui est constituée comme toutes les membranes biologiques
d'une bicouche lipidique. Elles ne possèdent cependant pas de membranes
intra-cytoplasmiques comme les eucaryotes et les fonctions dévolues à
ces dernières sont toutes assumées par la membrane plasmique :
membranes nucléaire, du réticulum et même des organites.
La membrane plasmique est entourée d'une paroi pectocellulosique,
perméable mais néanmoins très rigide qui lui permet de résister à des
pressions osmotiques du cytoplasme très élevée, supérieure à 5
atmosphères, sans exploser.
Certaines bactéries possèdent une seconde biomembrane qui entoure la
paroi. Cette membrane permet de distinguer les bactéries Gram - (du nom
du biologiste qui a mis le test au point) qui la possède des Gram + qui
ne l'ont pas. Cette biomembrane est constituée comme la membrane
plasmique d'une bicouche lipidique, mais les acides gras et les
protéines constitutives en sont très différentes.
Le matériel génétique

Le matériel génétique est constitué d'un unique chromosome circulaire
qui baigne dans le cytoplasme. Il est replié en longues boucles dont la
base est reliée à un ensemble protéique, le core. Ce dernier est lui
même fixé à la membrane plasmique et empêche donc l'ADN de se déplacer
librement dans le cytoplasme.
La duplication du chromosome est reliée à la multiplication cellulaire,
c'est à dire qu'il ne se duplique que quand la cellule se divise et
inversement. Dans les deux cellules filles, le chromosome est identique.
A côté de ce chromosome, il existe de petits éléments d'ADN circulaire
en nombres variables : les plasmides. Contrairement au chromosome, ces
plasmides ne sont pas indispensables à la vie de la cellule. Ils
portent toutefois quelques gènes intéressants, comme une résistance aux
antibiotiques. Ils peuvent aussi dans certains cas s'integrer de façon
réversible au chromosome.
La multiplication des plasmides est indépendante de celle de la cellule
et du chromosome. Ils peuvent se dupliquer sans division cellulaire et
en cas de division ils sont répartis au hasard entre les deux cellules
filles.
Le cytoplasme

Le cytoplasme des bactéries remplit toutes les fonctions remplies par
le cytoplasme des eucaryotes, mais aussi par le nucléoplasme (milieu
intranucléaire) ou le stroma des organites. Comme chez les eucaryotes,
les principales réactions du métabolisme et la synthèse des protéines
intracellulaire s'y déroulent. Mais il assure aussi la duplication de
l'ADN et la synthèse d'ARN (fonctions du noyau), la synthèse des
protéines extracellulaires (fonction du réticulum endoplasmique
granuleux), la respiration (fonction des mitochondries), la
photosynthèse (fonction des chloroplastes), etc...
Ce mélange des fonctions dans un seul endroit fait que des évènements
disjoints dans le temps et l'espace chez les eucaryotes sont simultanée
chez les procaryotes. Il en est ainsi de la synthèse des protéine qui
débute alors même que la synthèse de l'ARN messager correspondant n'est
pas encore totalement terminée