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Organisation d'une cellule - 1er s

Classe:

Première

Thème:

1 Organisation de la cellule

Introduction

La cellule est la plus petite unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants. Il existe deux grands groupes de cellules : les cellules procaryotes et les cellules eucaryotes. Les premières sont dépourvues de noyau alors que les deuxièmes en possèdent. Dans cette leçon seule les cellules eucaryotes seront étudiées.

I. Structure de la cellule

A. Observation de cellule végétale au microscope optique

1) Observation de cellule du bulbe d'oignon

a) Protocole expérimental

Utilise une pince pour extraire l'épiderme dans le creux de l'écaille. Coupe avec une paire de ciseau un petit morceau de cet épiderme.

Dépose sur une lame de verre une goutte de bleu de méthylène. Dépose le morceau d'épiderme dans la goutte sans faire de plis.

Recouvrir d'une lamelle. Dépose la préparation sur la platine. Observer la préparation au faible grossissement.

Activité 1

A partir du bulbe d'oignon, fait une préparation de cellule passible (qui peut subir) a l'observation.

Activité 2

Dessiner les cellules observées.

b) Structure de la cellule d'épidémie d'oignon du $MO$

Activité 3

Décrire les caractéristiques des cellules observées.

L'observation de l'épiderme du bulbe d'oignon à $MO$ montre des cellules végétales de formes allongées hexagonales entourée de paroi squelettique rigide appelée paroi pectocellulosique. A l’intérieur de la cellule, on peut observer une grasse vacuole. Le noyau tento centrique ou périphérique est visible mais la membrane plasmique et parfois le cytoplasme sont difficiles à observer à cause de l'occupation presque totale de l'intérieur de la cellule par la vacuole.

2) Observation d'une cellule élodée

a) Protocole expérimental

$-\ $ Prélève une jeune feuille élodée (plante aquatique immergée).

$-\ $ Monte la feuille entre lame et lamelle après l'avoir déposé sur la lame avec du rouge neutre.

$-\ $ Observe la préparation du plus petit au plus fort grossissement.

Activité 1

Faite une préparation de cellules d'élodée passible a l'observation au microscope optique.

Activité 2

Dessinez les cellules observées.

b) Structure des cellules de la feuille d'élodée

Les cellules d'élodées apparaissent particulièrement vertes. A l'intérieur de cette cellule on peut observer des organites appelés chloroplaste baignent dans le cytoplasme. La membrane plasmique est difficilement visible car elle est appliquée à la paroi pectocellulosique.

B. Observation au $MO$ de cellules animales (joue interne)

1) Protocole expérimental

$-\ $ Racler légèrement avec l'ongle la joue interne.

$-\ $ Déposer les prélèvements (Trenet blanche) sur la lame

$-\ $ Ajouter sur le prélèvement une goutte de bleu de méthylène et recouvrir le tout par une lamelle.

$-\ $ Placer la préparation sur la platine et réaliser l'observation.

Activité 1

Faites une préparation passible a l'observation microscopique d'une joue interne.

Activité 2

Dessine l'aspect des cellules.

2) La structure des cellules épithélium buccal

Activité

Décrire l'aspect des cellules de l'épithélium buccal observé au microscope. Les cellules animales observées sont plates et ont un contour polyédrique.

Le milieu intra cellulaire appelé cytoplasme contient le noyau et est délimité par une membrane plasmique.

Dans le cytoplasme on observe des éléments dont la détermination précise est très délicate. On les appelle ainsi pour le moment des inclusions cytoplasmiques.

C. La notion de structure

Les éléments observations dans une cellule dépendent des moyens d'observations. Le $MO$ est le plus communément utilisé. Il permet d'agrandir $x1000$ les cellules. L'aspect des éléments de la cellule animale ou végétale au $MO$ forme la structure de la cellule au sens stricte du terme. Ces éléments sont : la membrane cytoplasmique, le cytoplasme, le noyau. Les cellules végétales spécifiquement possèdentune paroi pectocellulosique, une grosse vacuole et des plastes. La cellule animale possède spécifiquement le centrosome.

II. Ultrastructure de la cellule

Les détails des éléments observés au $MO$ ne sont visibles qu'à partir du microscope électronique. Les parties les plus fines des organites cellulaires observables au microscope électronique forment l'ultrastructure cellulaire.

A. Ultrastructure de la cellule

Au microscope optique, la membrane plasmique apparait sous forme d'un seul trait mais observé au $ME$, la membrane apparait formée de deux feuillets sombres séparés par un feuillet claire.

1) Les différents models d'intégration de la membrane plasmique

a) Le model de DAWSON et DANIELLI $($ancienne interprétation $1955)$

Au $MO$, la membrane plasmique apparait sous forme d'un trait ou ligne homogène. Au $ME$, la membrane plasmique esttrilaminaire $(3$ feuillets$)$ :

Elle est formée de $2$ feuillets sombres et denses $\left(20\,A^{\circ}\right)$ de nature protéique entourant un feuillet clair de nature lipidique.

Le feuillet clair s'entoure de $2$ linéaires de protéines : c'est l'interprétation de Danielli et Dawson

b) Le model de SINGER et NICHOLSON

Exploite le doc en déduire l'organisation de la membrane plasmique.

Réponses

L'expérience montre que les protéines membranaires de la cellule humaine et celle de la souris sont associées dans une même cellule. Cette expérience montre que les protéines de la cellule humaine et celle de la souris ne sont pas fines ou linéaire : elles sont mélangées et mobiles.

C'est l'interprétation de SINGER ET NICHOLSON d'après qui la membrane plasmique est une structure fluide formée d'une bicouche lipidique dans laquelle sont intercalées des protéines intrinsèques et des protéines qui sont à la surface (protéines extrinsèques)

N.B :

Le feuillet clair est constitué de phospholipides. Une molécule phosphorite comprend $2$ pôles : un pôlehydrophile soluble dans l'eau et un pôle hydrophobe insoluble dans l'eau. Une telle molécule (présentant les $2$ pôles) est amphiphile (molécule qui présente une double affinité, à la fois hydrophile et hydrophobe).

2) Composition chimique de la membrane

La membrane plasmique est formée de :

$-\ \ 60\%$ de protéines et de glycoprotéines

$-\ \ 40\%$ de lipides surtout de phospholipide.

Les lipides peuvent être aussi des glucolipides ou stérols. Les phospholipides sont amphiphiles.

$-\ $ Un pôle hydrophile ou lipophobe

$-\ $ Un pôle hydrophobe ou lipophile

Quand aux protéines, on distingue des protéines extrinsèques, des côtés cytoplasmiques et des protéines intrinsèques intégrés dans la bicouche.

3) Fonction de la membrane plasmique

a) Fonction de compartiment et de protection de la vie cellulaire

La membrane plasmique sépare l'extérieur et l'intérieur cellulaire et protège les cellules.

b) Fonction de transport

Les protéines membranaires qui jouent un rôle de transport au niveau de la membrane plasmique sont principalement les canaux et les pompes.

$\bullet\ $ Les canaux sont des protéines intrinsèques permettant à certains ions ou molécules de petites tailles de traverser la bicouche lipidique.

Exemple :

canaux $Na^{+}$ ; $K^{+}$

$\bullet\ $ Les pompes sont des transporteurs actifs qui assurent le passage contre le gradient de concentration et donc nécessitent de l'énergie.

c) Fonction d'échanges

L'élément peut être absorbé (endocytose) ou sécrété (exocytose).

d) Fonction de reconnaissance

Les membranes plasmiques ont la capacité de reconnaitre les corps étrangers à l'organisme par leur récepteur.

Exemple :

les globules blancs.

B. Ultrastructure du cytoplasme

Le cytoplasme comprend l'hyaloplasme et les organites délimités par une membrane.

1) L'hyaloplasme

Il comprend le cytosol (solution aqueuse, complexe) et le cytosquelette (qui est un réseau de filaments protéiques assurant l'architecture et la dynamique du cytoplasme).

En général, l'hyaloplasme est assimilé au cytosol. Dans l'hyaloplasme on trouve en plus du cytosquelette, de l'eau, des protéines, de $l'ARN$, des réserves de glycogène.

2) Les organes cellulaires

Les éléments de la cellule dont la détermination précise au $MO$ est très difficile nommer pour cette raison inclusions cytoplasmiques forment au $ME$ les organites : se sont le réticulum endoplasmique granulaire $(REG)$ ou Ergastoplasme ; la mitochondrie ; l'appareil de Golgi, les plastes ; le centrosome ; le lysosome.

a) Le réticulum endoplasmique granuleux ou ergastoplasme

$-\ $ structure

Le $RE$ est un ensemble complexe de membranes délimitant des cavités closes parfois anastomosées (joints par les bouts ; connectés entre elles) et comportant deux faces : une face hyaloplasmique tournée vers le cytosol (fraction semi liquide du cytoplasme qui entoure les organites) et une face luminale (espace intérieur d'un organe creux) tournée vers la lumière des saccules (face interne).

Le $RE$ existe sous deux formes : le $REG$ ou ergastoplasme qui porte des ribosomes sur la face hyaloplasmique ou externe et le $REL$ ou agranulaire qui ne porte pas de ribosomes.

L'organisation de la membrane de $RE$ répond au modèle de SINGER et NICHOLSON (model de la mosaïque fluide).

Le $REG$ et le REL sont interchangeables. Le passage d'un tube à un autre dépend des besoins métaboliques.

La localisation est l'importance relative des $2$ types de $RE$ dépend de la fonction et de l'état physiologique de la cellule où il se trouve.

$-\ $ Fonction

$\bullet\ $ Synthèse, collecte et transport des protéines

Les ribosomes attachés au réticulum synthétisent plusieurs types de protéines (protéines structurales).

Exemple :

collagène, des protéines protéolytiques (détruisent) et enzymatiques (accélèrent) la trypsine.

Ces divers protéines subissent des modifications conformationelles dans les canalicules avant d'être emballer dans les vésicules ou aux diverses destinations (membrane plasmique, appareil de golgi etc...)

$\bullet\ $ Synthèse des lipides

Les membranes de $RE$ contiennent des enzymes nécessaires au métabolisme des lipides comme la biosynthèse des phospholipides, du cholestérol pour le renouvellement des membranes, la biosynthèse des triglycérides $(REL)$ et la synthèse des hormones stéroïdes par le $REL.$

b) L'appareil de Golgi

$-\ $ Structure

Il est constitué d'un empilement de saccules. Cet empilement est appelé dictyosome. On distingue, la face $CIS$ de l'appareil de Golgi qui se situe en aval (après) du réticulum et la face trance qui est tournée vers le cytoplasme.

$-\ $ Fonction

Il est le lieu de maturation de protéines synthétisées au niveau des réticulums. Chacun de ses saccules disposent d'équipements enzymatiques spécifiques qui permettent d'ajouter des modifications sur ses protéines parmi lesquelles on a :

$\bullet\ $ La glycosylation ou ajoute de sucre

$\bullet\ $ La sulfatation ou ajout de sulfate sur l'acide aminé

$\bullet\ $ La phosphorylation ou ajout de phosphore sur certains acides aminés.
Ces divers modifications rendent fonctionnelles les protéines.

c) Le centrosome

$-\ $ Structure

Le centrosome est un organite non membranaire qui se compose d'une paire de centriole constitué chacun de $9$ triplets de microtubules.

$-\ $ Fonction

$\ast\ $ Constituation des faisceaux de divisions :

Au cours de la mitose, le centrosome se décompose en deux centrosomes fils, chaque centrosome devient un pôle du fusceau.

$\ast\ $ Orientation des mouvements cytoplasmiques et transport interne des vesicules et d'organites :

Les microtubules participent a l'orientation de l'allongement cellulaire lors de la differentiation.

Il guide aussi les mouvements des vésicules et des organites.

$\ast\ $ Le centrosome est la base des cils et des flagelles.

d) Les lysosomes

$-\ $ Structure

Ce sont des vésicules qui renferment un mélange hydrobase (enzyme digestifs).

$-\ $ Fonction

$\bullet\ $ Rôle dans la digestion extra-intercellulaire

D'une part, les lysosomes digèrent les matériaux internes aux cellules : c'est l'autophagie. Cette digestion est la destruction des organites et l'autodestruction des cellules mortes. Elles contribuent au renouvellement constant des organites et au recyclage de la matière vivante. Les lysosomes sont aussi associés à la fonction de nutrition et de protection contre les organites extérieurs (hétérophagie).

D'autre part, les lysosomes émettent des enzymes de dégradation vers l'extérieur pour dégrader des substances et absorber des produits de la dégradation par endocytose.

e) La mitochondrie

$-\ $ Structure

C'est un grand organite en forme de bâtonnet entouré d'une membrane extérieur et d'une membrane externe formant a l'intérieur des replis transversaux appelés crête et délimitant un liquide appelé matrice.

$-\ $ Fonction

L'énergie dont on a besoin pour fonctionner provient de $l'ATP$ (Adénosine Triphosphate) selon la réaction suivante :

$ATP\ +\ H_{2}O\ \longrightarrow\ ADP\ +\ Pi\ +\ E$

Pour reconstituer $l'ATP$, la mitochondrie présente une activité métabolique de production d'énergie. Il s'agit d'un ensemble de réaction catabolique (destruction) qui permet de renouveler $l'ATP.$ Cette réaction se déroule au niveau des crêtes mitochondriales et forme le cycle de Krebs. Mais on peut raisonner ces réactions en une équation bilan.

$C_{6}H_{12}O_{2}\ +\ 6O_{2}\ \longrightarrow\ 6CO_{2}\ +\ 6H_{2}O\ +\ 36\,ATP$

f) Le chloroplaste

$-\ $ Structure

C'est un organite de forme lenticulaire de couleur verte au $MO$ à cause de sa richesse en chlorophylle. Il est forme de deux membranes (externe et interne). La membrane interne délimite un liquide appelé stroma et forme des invaginations qui sont parallèles a l'axe du chloroplaste et on l'appelle thylakoïde.

Il existe deux types de thylakoïdes : Les thylakoïdes du stroma allongés et les thylakoïdes du granum qui empilés.

$-\ $ Fonction

Le chloroplaste assure la photosynthèse c'est-à-dire la synthèse de molécules organiques (Amidon) à partir du $CO_{2}$ et de la lumière comme source d'énergie selon la réaction suivante :

$CO_{2}\ +\ H_{2}O\ \longrightarrow\ \text{lumière glucide}\ +\ O_{2}$

La photosynthèse s'effectue en deux étapes ou phases : la phase photochimique et la phase photosynthèse.

$-\ $ La phase photochimique nécessite de la lumière. En effet la chlorophylle, au cours de cette phase utilise les radiations lumineuses pour produire de $l'ATP$ et un composé réduit appelé $RH_{2}.$

$\text{Chlorophylle}\ \longrightarrow\ \text{lumière}\ ATP\ +\ RH_{2}$

$-\ $ La phase synthèse elle est indépendante de la lumière, Pendent cette phase, un composé a 5 atomes de carbone $($Rudip Acide phosphoglycérique $AGP)$ fixe le $CO_{2}$ pour donner un intermédiaire instable $C_{3}.$

$\text{Ridup}\ \left(C_{5}\right)\ +\ CO_{2}\quad 2C_{3}\;(AGP)$

$AGP\ \longrightarrow\ \text{Glucide (Amidon)}$

$\text{Ridup}=\text{Ribulose Diphosphate}$

$L'AGP$ en utilisant l'énergie de $l'ATP$ se divise en des molécules qui permettent la synthèse des glucides dans un cycle appelé cycle Calvin.

g) Le noyau

$-\ $ Structure

Le noyau est un organite présentant :

$-\ $ Une enveloppe nucléaire : c'est une double membrane en continuité avec le $REG$, interrompu en des endroits appelés pore nucléaire.

$-\ $ Un nucléoplasme : c'est la substance fondamentale du noyau, elle est formée d'une substance (matrice) gélatineuse contenant des ions, des protéines, des enzymes et des nucléotides.

$-\ $ La chromatine : c'est un mélange d'acides nucléiques $(ADN$ et $ARN)$ avec des protéines (histone).

L'expérience suivante permet de déterminer la composition chimique du noyau.

$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|} \hline &\text{Traitement}&\text{noyau}&\text{cytoplasme}&\text{Nucléole}\\ &\text{avant}& & &\\ &\text{manipulation}& & &\\ \hline \text{Lame 1}&\text{ADNase}&\text{Incolore}&\text{rouge}&\text{Rouge}\\ \hline \text{Lame 2}&\text{ARNase}&\text{Vert}&\text{Incolore}&\text{Incolore}\\ \hline \text{Lame 3}&\text{Aucun}&\text{Vert}&\text{rouge}&\text{Rouge}\\ \hline \end{array}$$

On clore une cellule avec un mélange de vert de méthylène $($qui colore $l'ADN$ en vert$)$ et la pyronine $($qui colore $l'ARN$ en rose$).$ Les résultats sont consignés dans le tableau suivant :

Activité

Préciser les constituants du noyau, du cytoplasme et du nucléole.

Réponse

Dans la lame $1$ le noya est incolore car son $ADN$ a été détruit par $ADN$ase ; puisque cet enzyme est incapable de détruire $l'ARN$, le cytoplasme et le nucléole reste rouge.

$\bullet\ $ $L'ADN$ est contenu dans le noyau.

Dans la lame $2$ le cytoplasme et le nucléole reste incolore ; car leur contenu est détruit par $l'ARN$ase ; le noyau est vert car $l'ARN$ase est incapable de détruire $l'ADN.$

$\bullet\ $ Le cytoplasme et le nucléole contiennent de $l'ARN.$

La lame $3$ qui n'a pas été soumise à aucun traitement d'enzyme confirme respectivement que $l'ADN$ est contenu dans le noyau et $l'ARN$ dans le cytoplasme et le nucléole.

$-\ $ Fonction

Exploiter le document et en tirer le rôle du noyau.