La spécialisation des cellules eucaryotes chez les organismes pluricellulaires

Coupe transversale dans une silique d'Arabidopsis thaliana.Fœtus humain

Le niveau d’organisation de la séance d’aujourd’hui

Très tôt dans le développement de

l’organisme, les cellules deviennent différenciées

et acquièrent une spécialisation

Les organismes pluri-cellulaires

L’ensemble des fonctions est distribué

sur des organes spécialisés:

Ex. l’intestin sert à digérer/ nutrition;

l’appareil génital à la reproduction;

La fleur sert à la reproduction, la feuille à

capter l’énergie nécessaire à la

photosynthèse et à la nutrition…

Lignée germinale (reproduction) et lignée

somatique (autres fonctions)

La distribution des fonctions au sein del’organisme s’explique en partie par unespécialisation des cellules.Certaines cellules sont ‘optimisées’ pouraccomplir certaines fonctions particulières.Comment s’opère la spécialisation des cellulesau cours du développement?Nous allons étudier les caractéristiques dedifférentes cellules, à partir d’images demicroscopie et de cas de dysfonctionnement deces cellules

Cellule eucaryote animale, cellule eucaryote végétale ‘type’ (=indifférenciée)

Rôles des constituants :-Noyau : contient l’information génétique-Le cytoplasme est le milieu où baignent les organites et différentes structures impliquées dans la synthèse et le transport de protéines (ribosomes, appareil de Golgi, Reticulum). Il maintient la forme de la cellule (mouvements de liquide au travers de la membrane). Il contribue à la protection du noyau. Au sein du cytoplasme, les organites sont des éléments différenciés permettant à la cellule d'assurer ses fonctions (ex. mitochondrie, chloroplaste), notamment énergétiques.-Membrane : interface d’échange de molécules avec le milieu extérieur, protection de la cellule, communication intercellulaire

Cellule végétale

Les différents types de microscopies et leurs avantages

Vision de l’intérieur de la cellule Vision de l’extérieur de la cellule

Neurone Cell. Epithéliale(Intestin)

Globule Rouge

Cell. Parenchyme

(feuille)

Cell. Tubercule Patate (Racine)

Cell. Du foie(Hépatocyte)

Fonction principale dans l’organisme

Modification morphologique (=forme) de la Cell.

Organite

Perte de compartiment

Production de protéines

spécifiques

Perte de fonction

Maladie/Dys-fonctionnement

associé

A l’aide des documents fournis, complétez le tableau suivant. L’objectif est de mettre en évidence comment les cellules deviennent spécialisées (une multitude de façons différentes!), et de favoriser une comparaison entre cellule animale et végétale.

*A l’origine, chez l’homme, une seule cellule œuf…A terme, des

centaines de milliards de cellules différentes

*Comment passe-t-on d’une cellule œuf initiale indifférenciée à un

organisme composé de multiples cellules différenciées?

Le nombre de bactéries du corps humain est de 3,8.1013, et le nombre de cellules humaines est de 3,0.1013 (valeurs pour un homme de 70 kg et de 170 cm).

Partie 1 : la spécialisation des cellules chez les mammifères

Partie 1 : la spécialisation des cellules chez les mammifères : le neurone (cellule du cerveau)

Neurone & réseau de neurones

Spécialisation par association de cellules:Au cours de la différenciation d'un neurone, sa capacité de fabrication dela myéline émerge avec la mise en place des cellules de la gaine deSchwann…mais ceci a un coût : perte de la capacité à se reproduire unefois différencié. Attention à toute confusion : il peut toutefois y avoirneurogenèse tout au long de la vie de l’individu

Neurone :Spécialisé dans la communication –circulation de l’influx nerveux.Adaptations :*modification de la forme de la cellule(dendrite, axone- assimilable à uncâble);*association avec les cellules de lagaine de myéline (cellules de Schwann)qui assurent l’isolation électrique del’axone,*perte de la capacité à se diviser pour

la plupart des neurones ;*mise en place de nombreuxtransporteurs ioniques sur lamembrane pour déclencher l’influxnerveux

A faire avec les élèves

Partie 1 : la spécialisation des cellules chez les mammifères : le neurone (cellule du cerveau)

Les réseaux de neurones permettent la communication entre les neuronesAinsi l’apprentissage dépend de l’efficacité de la transmission des messages d’un neurone à l’autre : efficacité de la propagation du signal nerveux (potentiel d’action), de la transmission des molécules au niveau des synapses.Si une connexion neuronale est fréquemment utilisée, elle se renforce = ApprentissageSi une connexion neuronale est peu utilisée, elle s’affaiblit = Oubli➔ Notion de plasticité cérébraleAinsi, réviser régulièrement, par petites sessions de 20-30 min est plus efficace que réviser une seule fois pendant 2h (saturation + oubli)

A faire avec les élèves

Neurone

Fonction principale dans l’organisme

Modification morphologique (=forme) de la Cell.

Organite

Perte de compartiment

Production de protéines

spécifiques

Perte de fonction

Maladie/Dys-fonctionnement

associé

Transmission influx nerveux/

Communication

Dendrite/axone

mitochondrie

Canaux de transport membranaire

Division cellulaire

BILAN

A vous de jouer maintenant pour les autres types de cellules!

http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/digestion/smallgut/anatomy.html

(Pour se repérer dans l’organisation de

l’intestin: les photos sont présentées de

l’organe à la cellule, autrement dit du plus grand

au plus petit…)

CELLULE épithéliale intestinaleORGANE TISSU : le tube de l’intestin est tapissé de replis du tissu intestinal, appelées villosités

MEMBRANE de cellule épithéliale, faisant face à la lumière du tube intestinal

Partie 1 : la spécialisation des cellules chez les mammifères : la cellule épithéliale de l’intestin

Atrophie microvillositaire :

Maladie héréditaire chez le

nourrisson déclenchant de

violentes diarrhées suite à

une inflammation de

l’intestin – potentiellement

mortelle

Indices :*Le rôle de l’intestin est d’absorber les nutriments*La membrane est le lieu des échanges entre le milieu intérieur de la cellule etla lumière de l’intestin (milieu extérieur)*Comment la surface de la membrane peut-elle contrôler l’absorption desnutriments?*La maladie d’atrophie microvillositaire sert à comprendre le rôle desmicrovillosités

Spécialisation par changement morphologiqueAbsorption des nutrimentsBarrière d’échange

Partie 1 : la spécialisation des cellules chez les mammifères : la cellule épithéliale de l’intestin

CORRECTION

Cellule épithéliale de l’intestin :Spécialisée dans l’absorption desnutriments qui transitent par le tubedigestif.Adaptations :*modification de la forme de la cellule.Les microvillosités augmentent lasurface d’absorption des nutriments, etoptimisent ainsi leur absorption*Il y a des canaux sur les microvillositésmembranaires qui permettent demaximiser l’absorption des nutriments(voir séance Enzymes)*l’atrophie microvillositaire entraînedes troubles digestifs, liés à unemauvaise absorption des nutriments

Globule rouge

Partie 1 : la spécialisation des cellules chez les mammifères : le globule rouge (=erythrocyte) dans le sang

Erythroblastes (précurseur des globules rouges) en microscopie optique

Les globules rouges sont des cellules différenciées produites dans la moëlleosseuse.*En comparant les érythroblastes et les globules rouges, identifiezcomment la composition de la cellule est modifiée lors de la différenciation.*A partir de l’étude des globules des malades de la drépanocytose,déterminez quelle spécialisation du globule rouge permet defavoriser/faciliter sa circulation dans le sang

Globule rouge de malade de la drépanocytose, une maladie associée à des troubles de transport de l’oxygène dans le sang

L’hémoglobine est un complexede protéines, associées selonune configuration complexe(pas à retenir en 2nde). Lesprotéines portent desmolécules avec des atomes defer, les hèmes.La courbe ci-contre présente lesmodalités de la fixation dudioxygène gazeux surl’hémoglobine. La fixation sefait au niveau des atomes deFer

Partie 1 : la spécialisation des cellules chez les mammifères : le globule rouge (=erythrocyte) dans le sang

La pression partielle correspond à la pression qui serait exercée par les molécules (ici l'hémoglobine) du gaz si ce gaz (ici

le dioxygène) occupait seul tout le volume offert au mélange, à la température de celui-ci.

La saturation de l’hémoglobine correspond au % de sites de Fer occupés par de l’oxygène dans le sang

Plaque de Fer rouillé : en quoi cette analogiepermet d’expliquer la couleur du sang?

Spécialisation par synthèse d’une protéine spécifique, perte de compartiment et changement

de forme!

Partie 1 : la spécialisation des cellules chez les mammifères : le globule rouge (=erythrocyte) dans le sang

CORRECTIONGlobule Rouge:Spécialisée dans le transport des gazrespiratoires vers les cellules desorganes, pour permettre la respirationcellulaireAdaptations :*modification de la forme de la cellule.Forme concave permet meilleurecirculation. Trouble associé:drépanocytose, forme en faucille, pasde transport*perte du noyau : erythroblaste ainitialement un noyau mais le globulerouge n’en a plus*Synthèse d’un complexe protéiquespécifique : l’hémoglobine, spécialiséedans la fixation des gaz respiratoires

Chez le végétal, la graine correspond à l’embryon, avec déjà des parties différenciées.

Partie 2 : la spécialisation des cellules chez les Plantes

Les méristèmesChez les plantes terrestres, unméristème est un tissu cellulairespécialisé dans la croissance. Lescellules méristématiques se divisent(mitoses) puis se différencient enacquérant une structure et unefonction. On distingue habituellementles méristèmes primaires qui assurentla croissance de la plante en longueurau niveau de la tige, des feuilles et desracines, et les méristèmes secondaires,responsables de la croissance enépaisseur de certains organes (dits àcroissance secondaire) chez certainesplantes (le tronc des arbres parexemple). Chez les végétaux, lesméristèmes permettent une croissanceinfinie.

https://fr.wikipedia.org/wiki/M%C3%A9rist%C3%A8me

Partie 2 : la spécialisation des cellules chez les Plantes

Photosynthèse :

Chaîne métabolique de transformation de l’énergie lumineuse

en énergie biologique

Partie 2 : la spécialisation des cellules chez les Plantes : les cellules de la feuille

Indices:*Légendez la cellule sur la photo de microscopie optique.*Quel organite est abondant dans le cytoplasme? *Quel est son rôle?

L’amidon est une chaine de molécules de glucose.Le glucose est un sucre de formule C6H12O6

Partie 2 : la spécialisation des cellules chez les Plantes : les cellules de tubercule de Pomme de Terre (Racine)

Partie 2 : la spécialisation des cellules chez les Plantes CORRECTION

Cellules du parenchyme foliaire: Production d’énergie (photosynthèse) et stockage de réserves (sucres)Ceci est optimisé par un organite : le chloroplaste, présent en abondance

Cellules du tubercule de pomme de terre: stockage de réserves (sucres)Amidon : chaine de glucoseAmidon se colore en violet en présence de lugolCeci est optimisé par un organite : l’amyloplaste

Neurone Cell. Epithéliale(Intestin)

Globule Rouge

Cell. Parenchyme

(feuille)

Cell. Tubercule Patate (Racine)

Cell. Du foie(Hépatocyte)

Fonction principale dans l’organisme

Modification morphologique (=forme) de la Cell.

Organite

Perte de compartiment

Production de protéines

spécifiques

Perte de fonction

Maladie/Dys-fonctionnement

associé

Transmission influx nerveux/

Communication

Absorption nutriments

Transport dioxygène Réserves sucre(glycogène)

Réserves sucre(amidon)

Photosynthèse

Dendrite/axone microvillosités

Forme concave de la cellule (favorise

circulation dans le sang)

mitochondrie mitochondrieMitochondrie

Granule de glycogèneMitochondrie

Chloroplastes abondantsMitochondrie

Amyloplastes abondants

Canaux de transport membranaire

Canaux de transport membranaire + protéine actine permettant replis

Hémoglobine

Noyau

Division cellulaire

métabolisme

Atrophie des microvillosités Drépanoctyose

BILAN

COURS à APPRENDREPARTIE 1 : La structure de la celluleLes constituants communément rencontrés lors de l’observation des cellules sont :- un noyau, qui contient l’information génétique, sous la forme de molécules d’ADN condenséesen chromosomes- un cytoplasme, liquide où s’effectuent une grande partie des réactions chimiques nécessaires àla survie de la cellule- une membrane plasmique, qui marque la frontière entre le milieu intérieur de la cellule et lemilieu extracellulaire, et permet les échanges de matière entre ces deux milieuxAu sein du cytoplasme, on rencontre des organites, qui sont spécialisés dans des fonctionsparticulières. Par exemple, la mitochondrie permet la respiration cellulaire, tandis que lechloroplaste permet de réaliser la photosynthèse. On note également la présence d’un systèmemembranaire intracellulaire, le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi, quiinterviennent dans la production et l’export des protéines.

COURS à APPRENDREPARTIE 2 : Mise en évidence de cellules spécialisées chez les végétaux et les animaux

Chez les organismes unicellulaires, toutes les fonctions sont réalisées par une seule cellule. Mais chez les organismes pluricellulaires, les fonctions sont distribuées sur différentes cellules. Les cellules observées au niveau des tissus des organes permettent d’identifier comment la spécialisation se manifeste au niveau de la cellule. ▪ Par exemple, chez l’être humain : -les cellules épithéliales de l’intestin affichent de nombreuses microvillosités sur la partie de la membrane en contact avec la lumière de l’intestin. Ces microvillosités augmentent la surface d’absorption des nutriments, et facilitent ainsi la nutrition. -les globules rouges (=hématies) que l’on retrouve dans le sang, sont dépourvus de noyau. En revanche, ces cellules sont riches en une protéine particulière, l’hémoglobine, qui permet de fixer l’oxygène grâce aux atomes de Fer qui interviennent dans sa composition. Ainsi, les globules rouges, en circulant dans le système vasculaire, permettent d’apporter de l’oxygène à l’ensemble des organes. -D’autres exemples peuvent être cités : les cellules hépatiques du foie sont spécialisées dans le stockage de sucre sous la forme de glycogène, les neurones du cerveau ont des membranes particulières spécialisées dans la transmission d’information au sein duréseau neuronal. ▪ Par exemple, chez les végétaux : -les cellules du parenchyme de la feuille sont pour certaines riches en chloroplastes, ce qui permet une photosynthèse efficace -les cellules des tubercules, situées sous terre, sont quant à elles riches en amyloplastes, un organite qui contient du sucre sous la forme d’amidon. L’amidon est un polysaccharide (chaîne de glucose) identifiable par un test au Lugol. Les végétaux stockent donc des réserves énergétiques au niveau de leur tubercule.

CONCLUSION DU COURS (à APPRENDRE)

La spécialisation des cellules peut donc se manifester par la présence d’organites particuliers (chloroplastes, amyloplastes, mitochondrie), des modifications

morphologiques de la membrane (cellules épithéliales de l’intestin, neurone), ou encore la fabrique de protéine particulière (l’hémoglobine) ou la perte de

constituant clef (le noyau dans le cas des hématies).

EXERCICE : spécialisation des cellules du foie (hépatocyte) chez l’homme

A partir de l’image en microscopie de cette cellule du foie, déterminez quelle est la spécialité de cette cellule dans l’organisme, et comment est-elle optimisée A quelle cellule du monde végétal pouvez vous comparer cette cellule animale?

Aide :Le glycogène est un

glucide complexe présent dans le foie et les muscles. C'est une grosse molécule qui

stocke de l'énergie en réserve.

Elle se constitue de plusieurs molécules de glucose (sucre) liées entre elles.

EXERCICE : spécialisation des cellules du foie (hépatocyte) chez l’homme

Spécialité: Réserves de glucides sous la forme de glycogène

Stockés dans les granules de glycogène

Rôle dans la régulation de la glycémie

Même rôle que les cellules de réserve des pomme de terre.Les Amyloplastes jouent le même rôle que les granules de glycogène

➔ Même stratégie de spécialisation des cellules

A partir de l’image en microscopie de cette cellule du foie, déterminez quelle est la spécialité de cette cellule dans l’organisme, et comment est-elle optimisée