BIOLOGIE CELLULAIRE

Marie Hélène Cuif-Lordez, Daniel Gautheret

Institut de Génétique et MicrobiologieBatiment 400, Orsay

2007.3

Des livres pour approfondir

• « Biologie Cellulaire ». JC Callen. Dunod, 2005.• « A l’écoute du vivant » C. de Duve. Ed. Odile

Jacob poche.• “Le Monde du vivant”. W. K. Purves, G. H.

Horians et H. C. Heller, Flammarion, collection Médecine-Sciences, 1994

Cours 1

La cellule unité de base du monde vivant

Plan du cours

Historique : la cellule une notion nouvelle « non évidente »La cellule et l ’histoire du vivant

Auto reproduction, individualisation, sélection (le monde à ARN)Histoire de la vie sur terre

Les procaryotes et l’exploration métaboliqueOrganisation cellulaireBactéries et ArchaeGestion de la matière et de l'énergieMitochondrie et chloroplastes

Les eucaryotes et la compartimentationStructure de la celluleCapture d’énergie par mitochondries et chloroplastesEvolution des compartimentsLe noyau

Stratégies et potentialités cellulairesProtistes et cellules géantesMulticellularitéEmbryogenèseLa totipotentialité

La théorie cellulaire

• 1665 Robert Hooke : cellules de liège (± cellules d’un monastère)

• 1676 Antoni Leeuwenhoek : microorganismes unicellulaires

• 1839 Theodor Schwann « tout organisme est constitué de cellules »

• 1859 Rudolf Virchow « toute cellule provient d’une cellule

préexistante »

• 1859-1861 Louis Pasteur convainc la communauté que les cellules

viennent de cellules

Omni cellula e cellula(Virchow)

Les œufs sont les premières cellules à être connues avec le potentiel de produire un organisme entier

Points de repères historiques sur la connaissance des cellules

• Fin 19ème début du 20ème: description des organites cellulaires– Noyau, Compartiments, Golgi, Chromosomes, Centrosome, Fuseau mitotique

…mitose• Les années 1900-1950: l’unité chimique

– Les composants chimiques: Eau, Sucres, Protéines, Lipides, Acides nucléiques, oligo élements…

– L’énergétique: les réserves, le glucose, L’ATP• 2ème moitié du 20ème siècle: l’information génétique

– ADN, ARN, Biologie moléculaire, Le traitement de l’information• Dernier quart du 20ème siècle: les appareils cellulaires

– La dynamique et le cytosquelette, Les vésicules et les organites, La signalisation intra cellulaire, les systèmes de contrôle et de réparation

• Transition 21ème siècle: vers la globalisation et la dynamique– Génomes, Transcriptomes, Protéomes, Interactomes, Complexes

moléculaires, Réseaux– Dynamique moléculaire dans la cellule

2007: la vie artificielle?

Un vision actuelle des modules fonctionnels de la cellule

Que fait la cellule vivante?

• Elle se reproduit.« Le rêve d’une cellule c’est de devenir deux cellules » (F. Jacob)

• Elle fabrique ses constituants à partir de constituants de l’environnement

Chimie cellulaire « à froid » catalyse et énergétique• Elle suit un programme spatio-temporel précis.

Information génétique et organisation dynamique• Elle évolue

Sélection évolutive

Le paradoxe de l’origine de la vie

• L’ADN sert à fabriquer les protéines• Les protéines servent à fabriquer l’ADN

Une hypothèse “le monde à ARN”

potentiel d’information matriciellepotentiel catalytique

Pré Protéine

Pré Acide nucléique (ARN ADN)

L’ARN est aussi un catalyseur potentiel

La membrane en individualisant des molécules d’ARN et leur produit protéique favorise la sélection

des mieux adaptés

L ’histoire du vivant et l ’oxygène

Illustration de « Molecular Biology of the Cell »Albert et al. Garland Publishing Inc.

Vie unicellulairemulticellulaires

Milliards

(Wikipedia)

Les trois grands domaines du vivant

LUCALast Universal Common Ancestor

De vraies cellules: les bactéries

Les Procaryotes et l’exploration métabolique

Soleil+H2O +CO2 --> Sucre +O2

(CH2O)n

O2H20

D’où vient l’énergie ?

A la base de la chaine alimentaire: les organismes photosynthétiques

Photosynthèse et respiration: des processus complémentaires

photosynthèse respiration

CO2+H20 -> O2 + sucres Sucres + O2-> H20+ CO2

H20

O2 CO2

Sucres et autres molécules organiques

PlantesAlgues

Certaines bact.

Tous organismes(presque)

CO2 O2

H20

Énergie des liaisons chimiques (ATP)

Le cycle du carbone

CO2 atmosphèreet eau

PlantesAlgues

Certaines bact.

Sédiments et combustibles fossiles

Humus et matières organiques dissoutes

Animaux

Respirationpar

microorganismes

CombustionAltération

La chaine de transports d’electrons: convertir l’énergie en ATP

Dans tous les organismesl’énergie est capturée par une chaine de transport d’électrons

Se retrouve dans la photosynthèse et la respiration

Les deux organites responsables de la capture de l’énergie

Une machinerie voisine de traitement d’électrons pourla photosynthèse et la respiration

glucidesconstituants cellulaires

CO2

O2

photosynthèse

respiration

Évolution et fusion procaryote eucaryote

Compartimentation de la cellule eucaryote

Illustration de « Molecular Biology of the Cell »Albert et al. Garland Publishing Inc.

Hypothèse sur l ’origine du noyau

Illustration de « Molecular Biology of the Cell »Albert et al. Garland Publishing Inc.

Structure du noyau eucaryote

Illustration de « Molecular Biology of the Cell »Albert et al. Garland Publishing Inc.

Quelques protistes « des cellule géantes »

Illustration de « Molecular Biology of the Cell »Albert et al. Garland Publishing Inc.

10µm

La socialisation cellulaire:Dictyostelium discoideum

Deux « inventions »: l’organisation multi-cellulaire et la différenciation

Caenorhabditis elegansun développement

programmé

L’embryologie résume l’évolution ? Haeckel (1874)

Totipotence végétale

Mise en évidence de la totipotentialité cellulaire chez la sourisExpérience de B. Mintz (1965)

Le potentiel des cellules souches

Embryonnaires: cellules ESPotentiel: 220 types cellulaires de l’organisme

Somatiques (adultes)Déjà en partie spécialiséesPotentiel moindre?