Biologie cellulaire - Cell biology

La biologie cellulaire (également la biologie cellulaire ou la cytologie ) est une branche de la biologie qui étudie la structure, la fonction et le comportement des cellules . La biologie cellulaire englobe à la fois les cellules procaryotes et eucaryotes et peut être divisée en de nombreux sous-thèmes pouvant inclure l'étude du métabolisme cellulaire , de la communication cellulaire , du cycle cellulaire , de la biochimie et de la composition cellulaire . L'étude des cellules est réalisée à l'aide de plusieurs techniques telles que la culture cellulaire , divers types de microscopie et le fractionnement cellulaire . Ceux-ci ont permis et sont actuellement utilisés pour des découvertes et des recherches sur le fonctionnement des cellules, donnant finalement un aperçu de la compréhension d'organismes plus grands. Connaître les composants des cellules et leur fonctionnement est fondamental pour toutes les sciences biologiques tout en étant également essentiel pour la recherche dans des domaines biomédicaux tels que le cancer et d'autres maladies. La recherche en biologie cellulaire est interconnectée à d'autres domaines tels que la génétique , la génétique moléculaire , la biochimie , la biologie moléculaire , la microbiologie médicale , l' immunologie et la cytochimie .

Histoire

Les cellules ont été vues pour la première fois en Europe au XVIIe siècle avec l'invention du microscope composé . En 1665, Robert Hooke a qualifié le bloc de construction de tous les organismes vivants de « cellules » après avoir examiné un morceau de liège et observé une structure semblable à une cellule. Cependant, les cellules étaient mortes et ne donnaient aucune indication sur les composants réels d'une cellule. . Quelques années plus tard, en 1674, Anton Van Leeuwenhoek fut le premier à analyser des cellules vivantes dans son examen des algues . Tout cela a précédé la théorie cellulaire qui affirme que tous les êtres vivants sont constitués de cellules et que les cellules sont l'unité fonctionnelle et structurelle des organismes. Cela a finalement été conclu par le scientifique des plantes, Matthias Schleiden et le scientifique animalier Theodor Schwann en 1838, qui ont observé des cellules vivantes dans les tissus végétaux et animaux, respectivement. 19 ans plus tard, Rudolf Virchow a contribué davantage à la théorie cellulaire, ajoutant que toutes les cellules proviennent de la division de cellules préexistantes. Bien que largement acceptées, de nombreuses études remettent en question la validité de la théorie cellulaire. Les virus, par exemple, n'ont pas les caractéristiques communes d'une cellule vivante, telles que les membranes, les organites cellulaires et la capacité de se reproduire par eux-mêmes. La cellule a été découverte et nommée pour la première fois par Robert Hooke en 1665. Il a remarqué qu'elle ressemblait étrangement à des cellula ou de petites pièces habitées par des moines, d'où son nom. Cependant, ce que Hooke a réellement vu, ce sont les parois cellulaires mortes des cellules végétales (liège) telles qu'elles sont apparues au microscope. La description de Hooke de ces cellules a été publiée dans Micrographia. Les scientifiques ont eu du mal à décider si les virus sont vivants ou non et s'ils sont en accord avec la théorie cellulaire.

Technique

La recherche en biologie cellulaire moderne examine différentes manières de cultiver et de manipuler des cellules en dehors d'un corps vivant pour faire avancer les recherches sur l'anatomie et la physiologie humaines et pour dériver des médicaments. Les techniques d'étude des cellules ont évolué. Grâce aux progrès de la microscopie, les techniques et la technologie ont permis aux scientifiques de mieux comprendre la structure et la fonction des cellules. De nombreuses techniques couramment utilisées pour étudier la biologie cellulaire sont énumérées ci-dessous :

  • Culture cellulaire : Utilise des cellules à croissance rapide sur un support qui permet une grande quantité d'un type de cellule spécifique et un moyen efficace d'étudier les cellules. La culture cellulaire est l'un des principaux outils utilisés en biologie cellulaire et moléculaire, fournissant d'excellents systèmes modèles pour étudier le physiologie et biochimie normales des cellules (p. ex. études métaboliques, vieillissement), effets des médicaments et des composés toxiques sur les cellules, et mutagenèse et carcinogenèse. Il est également utilisé dans le criblage et le développement de médicaments et dans la fabrication à grande échelle de composés biologiques (par exemple, vaccins, protéines thérapeutiques). Le principal avantage de l'utilisation de la culture cellulaire pour l'une de ces applications est la cohérence et la reproductibilité des résultats qui peuvent être obtenus à partir d'un lot de cellules clonales.
  • Microscopie à fluorescence : Les marqueurs fluorescents tels que la GFP , sont utilisés pour marquer un composant spécifique de la cellule. Ensuite, une certaine longueur d'onde lumineuse est utilisée pour exciter le marqueur fluorescent qui peut alors être visualisé.
  • Microscopie à contraste de phase : utilise l'aspect optique de la lumière pour représenter les changements de phase solide, liquide et gazeux sous forme de différences de luminosité.
  • Microscopie confocale : combine la microscopie à fluorescence avec l'imagerie en focalisant la lumière et les instances de prise de vue instantanée pour former une image 3D.
  • Microscopie électronique à transmission : Implique la coloration du métal et le passage d'électrons à travers les cellules, qui seront déviés lors de l'interaction avec le métal. Cela forme finalement une image des composants étudiés.
  • Cytométrie : Les cellules sont placées dans la machine qui utilise un faisceau pour diffuser les cellules en fonction de différents aspects et peut donc les séparer en fonction de leur taille et de leur contenu. Les cellules peuvent également être marquées avec la fluorescence GFP et peuvent également être séparées de cette façon. La cytométrie implique un large éventail de techniques de pointe, dont la plupart mesurent les propriétés moléculaires des cellules en utilisant un marquage fluorescent pour détecter des antigènes spécifiques à l'aide d'anticorps.
  • Fractionnement cellulaire : Ce processus nécessite la fragmentation de la cellule à l'aide d'une haute température ou d'une sonification suivie d'une centrifugation pour séparer les parties de la cellule permettant de les étudier séparément.

Types de cellules

Un dessin d'une cellule procaryote.

Il existe deux classifications fondamentales des cellules : procaryotes et eucaryotes . Les cellules procaryotes se distinguent des cellules eucaryotes par l'absence d'un noyau cellulaire ou d'un autre organite lié à la membrane . Les cellules procaryotes sont beaucoup plus petites que les cellules eucaryotes, ce qui en fait la plus petite forme de vie. Les cellules procaryotes peuvent inclure des bactéries et des archées et ne possèdent pas de noyau cellulaire fermé . Ils se reproduisent tous les deux par fission binaire . Les bactéries, le type le plus répandu, ont plusieurs formes différentes , principalement sphériques et en forme de bâtonnets . Les bactéries peuvent être classées comme Gram positif ou Gram négatif selon la composition de la paroi cellulaire . Les bactéries à Gram positif ont une épaisse couche de peptidoglycane et aucune membrane lipidique externe Les caractéristiques structurelles bactériennes comprennent un flagelle qui aide la cellule à se déplacer, des ribosomes pour la traduction de l'ARN en protéine et un nucléoïde qui contient tout le matériel génétique dans une structure circulaire. Il existe de nombreux processus qui se produisent dans les cellules procaryotes qui leur permettent de survivre. Par exemple, dans un processus appelé conjugaison , le facteur de fertilité permet à la bactérie de posséder un pilus qui lui permet de transmettre de l'ADN à une autre bactérie dépourvue du facteur F, permettant la transmission de résistance lui permettant de survivre dans certains environnements.

Les cellules eucaryotes peuvent être unicellulaires ou multicellulaires et comprennent des cellules animales, végétales, fongiques et protozoaires qui contiennent toutes des organites de différentes formes et tailles.

La structure et la fonction

Structure des cellules eucaryotes

Un schéma d'une cellule animale.

Les cellules eucaryotes sont composées des organites suivants :

  • Noyau : Il sert de stockage du génome et de l'information génétique de la cellule, contenant tout l'ADN organisé sous forme de chromosomes. Il est entouré d'une enveloppe nucléaire , qui comprend des pores nucléaires permettant le transport des protéines entre l'intérieur et l'extérieur du noyau. C'est également le site de la réplication de l'ADN ainsi que de la transcription de l'ADN en ARN. Ensuite, l'ARN est modifié et transporté vers le cytosol pour être traduit en protéine. C'est donc vraiment une partie importante de la cellule à protéger. Parfois, des choses comme l'ARN doivent circuler entre le noyau et le cytoplasme, et il y a donc des pores dans cette membrane nucléaire qui permettent aux molécules d'entrer et de sortir du noyau. On pensait autrefois que la membrane nucléaire ne permettait que les molécules de sortir, mais maintenant on se rend compte qu'il existe également un processus actif pour amener les molécules dans le noyau.
  • Nucléole : Cette structure est à l'intérieur du noyau, généralement dense et de forme sphérique. C'est le site de synthèse de l'ARN ribosomique (ARNr), qui est nécessaire à l'assemblage ribosomique.
  • Réticulum endoplasmique (RE) : Il sert à synthétiser, stocker et sécréter des protéines dans l'appareil de Golgi. Structurellement, le réticulum endoplasmique est un réseau de membranes présent dans toute la cellule et connecté au noyau. Les membranes sont légèrement différentes d'une cellule à l'autre et la fonction d'une cellule détermine la taille et la structure du RE.
  • Mitochondries : Communément appelées centrale électrique de la cellule. Cela fonctionne pour la production d'énergie ou d'ATP dans la cellule. Plus précisément, c'est l'endroit où se produit le cycle de Krebs ou le cycle du TCA pour la production de NADH et de FADH. Ensuite, ces produits sont utilisés dans la chaîne de transport d'électrons (ETC) et la phosphorylation oxydative pour la production finale d'ATP.
  • Appareil de Golgi : Cela fonctionne pour traiter davantage, conditionner et sécréter les protéines jusqu'à leur destination. Les protéines contiennent une séquence signal qui permet à l'appareil de Golgi de la reconnaître et de la diriger au bon endroit.
  • Lysosome : Le lysosome a pour fonction de dégrader le matériel apporté de l'extérieur de la cellule ou d'anciens organites. Celui-ci contient de nombreuses hydrolases acides, protéases, nucléases et lipases, qui décomposent les différentes molécules. L'autophagie est le processus de dégradation par les lysosomes qui se produit lorsqu'une vésicule bourgeonne du RE et engloutit le matériau, puis s'attache et fusionne avec le lysosome pour permettre la dégradation du matériau.
  • Ribosomes : Fonctions pour traduire l'ARN en protéine. il sert de site de synthèse protéique.
  • Cytosquelette : Le cytosquelette est une structure qui aide à maintenir leur forme et l'organisation générale du cytoplasme. fonctions pour ancrer les organites dans les cellules et constituent la structure et la stabilité de la cellule. Le cytosquelette est composé de trois principaux types de filaments protéiques : les filaments d'actine, les filaments intermédiaires et les microtubules, qui sont maintenus ensemble et liés aux organites subcellulaires et à la membrane plasmique par une variété de protéines accessoires.
  • Membrane cellulaire : La membrane cellulaire peut être décrite comme une bicouche phospholipidique et est également constituée de lipides et de protéines. Parce que l'intérieur de la bicouche est hydrophobe et pour que les molécules participent aux réactions au sein de la cellule, elles doivent pouvoir traverser cette couche membranaire pour pénétrer dans la cellule via la pression osmotique , la diffusion , les gradients de concentration et les canaux membranaires.
  • Centrioles : Fonction pour produire des fibres fusiformes qui sont utilisées pour séparer les chromosomes lors de la division cellulaire.

Les cellules eucaryotes peuvent également être composées des composants moléculaires suivants :

  • Chromatine : Elle constitue les chromosomes et est un mélange d'ADN avec diverses protéines.
  • Cils : Ils aident à propulser les substances et peuvent également être utilisés à des fins sensorielles.

Métabolisme cellulaire

Le métabolisme cellulaire est nécessaire à la production d'énergie pour la cellule et donc à sa survie et comprend de nombreuses voies. Pour la respiration cellulaire , une fois que le glucose est disponible, la glycolyse se produit dans le cytosol de la cellule pour produire du pyruvate. Le pyruvate subit une décarboxylation en utilisant le complexe multi-enzymatique pour former de l'acétyl coA qui peut facilement être utilisé dans le cycle du TCA pour produire du NADH et du FADH2. Ces produits sont impliqués dans la chaîne de transport d'électrons pour finalement former un gradient de protons à travers la membrane mitochondriale interne. Ce gradient peut alors conduire à la production d'ATP et d'H2O lors de la phosphorylation oxydative . Le métabolisme dans les cellules végétales comprend la photosynthèse qui est tout simplement l'exact opposé de la respiration car elle produit finalement des molécules de glucose.

La signalisation cellulaire

La signalisation cellulaire est importante pour la régulation cellulaire et pour que les cellules traitent les informations de l'environnement et réagissent en conséquence. La signalisation peut se produire par contact cellulaire direct ou par signalisation endocrinienne , paracrine et autocrine . Le contact direct cellule-cellule se produit lorsqu'un récepteur sur une cellule se lie à une molécule qui est attachée à la membrane d'une autre cellule. La signalisation endocrinienne se fait par des molécules sécrétées dans la circulation sanguine. La signalisation paracrine utilise des molécules diffusant entre deux cellules pour communiquer. L'autocrine est une cellule qui s'envoie un signal en sécrétant une molécule qui se lie à un récepteur à sa surface. Les formes de communication peuvent passer par :

  • Canaux ioniques : peuvent être de différents types, tels que des canaux ioniques déclenchés par une tension ou un ligand. Ils permettent la sortie et l'entrée de molécules et d'ions.
  • Récepteur couplé aux protéines G (RCPG) : Il est largement reconnu qu'il contient 7 domaines transmembranaires. Le ligand se lie au domaine extracellulaire et une fois que le ligand se lie, cela signale un facteur d'échange de guanine pour convertir GDP en GTP et activer la sous-unité G-α. G-α peut cibler d'autres protéines telles que l'adényl cyclase ou la phospholipase C, qui produisent finalement des messagers secondaires tels que l'AMPc, l'Ip3, le DAG et le calcium. Ces messagers secondaires amplifient les signaux et peuvent cibler des canaux ioniques ou d'autres enzymes. Un exemple d'amplification d'un signal est la liaison de l'AMPc à et l'activation de la PKA en éliminant les sous-unités régulatrices et en libérant la sous-unité catalytique. La sous-unité catalytique a une séquence de localisation nucléaire qui l'incite à entrer dans le noyau et à phosphoryler d'autres protéines pour réprimer ou activer l'activité du gène.
  • Récepteur tyrosine kinase : Liez les facteurs de croissance, favorisant davantage la tyrosine sur la partie intracellulaire de la protéine pour traverser la phosphorylation. La tyrosine phosphorylée devient une plateforme d'atterrissage pour les protéines contenant un domaine SH2 permettant l'activation de Ras et l'implication de la voie MAP kinase .

La croissance et le développement

Cycle cellulaire

Le processus de division cellulaire dans le cycle cellulaire .

Le processus de croissance de la cellule ne fait pas référence à la taille de la cellule, mais à la densité du nombre de cellules présentes dans l'organisme à un moment donné. La croissance cellulaire concerne l'augmentation du nombre de cellules présentes dans un organisme au fur et à mesure qu'il grandit et se développe; à mesure que l'organisme grossit, le nombre de cellules présentes augmente également. Les cellules sont le fondement de tous les organismes et sont l'unité fondamentale de la vie. La croissance et le développement des cellules sont essentiels au maintien de l'hôte et à la survie de l'organisme. Pour ce processus, la cellule passe par les étapes du cycle cellulaire et du développement qui impliquent la croissance cellulaire, la réplication de l'ADN , la division cellulaire , la régénération et la mort cellulaire . Le cycle cellulaire est divisé en quatre phases distinctes : G1, S, G2 et M. La phase G – qui est la phase de croissance cellulaire – représente environ 95 % du cycle. La prolifération des cellules est provoquée par les progéniteurs. Toutes les cellules commencent sous une forme identique et peuvent essentiellement devenir n'importe quel type de cellules. La signalisation cellulaire telle que l'induction peut influencer les cellules voisines pour se différencier et déterminer le type de cellule qu'elle deviendra. De plus, cela permet aux cellules du même type de s'agréger et de former des tissus, puis des organes, et finalement des systèmes. Les phases G1, G2 et S (réplication, dommages et réparation de l'ADN) sont considérées comme la partie interphase du cycle, tandis que la phase M ( mitose ) est la partie division cellulaire du cycle. La mitose est composée de nombreuses étapes qui incluent respectivement la prophase, la métaphase, l'anaphase, la télophase et la cytokinèse. Le résultat ultime de la mitose est la formation de deux cellules filles identiques.

Le cycle cellulaire est régulé par une série de facteurs et de complexes de signalisation tels que les cyclines, la kinase dépendante des cyclines et p53 . Lorsque la cellule a terminé son processus de croissance et si elle se trouve être endommagé ou altéré, il subit la mort cellulaire, soit par apoptose ou une nécrose , pour éliminer la menace qu'elle peut causer à la survie de l'organisme.

Mortalité cellulaire, immortalité de la lignée cellulaire

L'ascendance de chaque cellule actuelle remonte vraisemblablement, dans une lignée ininterrompue de plus de 3 milliards d'années, à l' origine de la vie . Ce ne sont pas en fait des cellules qui sont immortelles, mais des lignées cellulaires multigénérationnelles. L'immortalité d'une lignée cellulaire dépend du maintien du potentiel de division cellulaire . Ce potentiel peut être perdu dans une lignée particulière en raison des dommages cellulaires, de la différenciation terminale comme cela se produit dans les cellules nerveuses ou de la mort cellulaire programmée ( apoptose ) au cours du développement. Le maintien du potentiel de division cellulaire au cours des générations successives dépend de l'évitement et de la réparation précise des dommages cellulaires, en particulier des dommages à l'ADN . Dans les organismes sexués, la continuité de la lignée germinale dépend de l'efficacité des processus pour éviter les dommages à l'ADN et réparer les dommages à l'ADN qui se produisent. Les processus sexuels chez les eucaryotes , ainsi que chez les procaryotes , offrent une opportunité de réparation efficace des dommages à l'ADN dans la lignée germinale par recombinaison homologue .

Phases du cycle cellulaire

Le cycle cellulaire est un processus en quatre étapes qu'une cellule traverse au fur et à mesure qu'elle se développe et se divise. Il comprend Gap 1 (G1), la synthèse (S), Gap 2 (G2) et la mitose (M). La cellule redémarre le cycle à partir de G1 ou quitte le cycle via G0 après avoir terminé le cycle. La cellule peut progresser de G0 jusqu'à la différenciation terminale.

L'interphase fait référence aux phases du cycle cellulaire qui se produisent entre une mitose et la suivante, et comprend G1, S et G2.

phase G1

La taille de la cellule augmente.

Le contenu des cellules est répliqué.

phase S

Réplication de l'ADN

La cellule réplique chacun des 46 chromosomes (23 paires).

Phase G2

La cellule se multiplie.

En préparation de la division cellulaire, des organites et des protéines se forment.

Phase M

Après la mitose, la cytokinèse se produit (séparation cellulaire)

Formation de deux cellules filles identiques

phase G0

Ces cellules quittent G1 et entrent en G0, une étape de repos. Une cellule de G0 fait son travail sans se préparer activement à se diviser.

Communication cellulaire

Les cellules communiquent constamment avec leur environnement et entre elles. La communication cellulaire comprend l'échange de messages entre les cellules et leur environnement. Pour rester en vie, elles doivent collecter et traiter des informations provenant de l'environnement environnant, que ces informations concernent les apports en nutriments, les changements de température ou les variations des schémas lumineux. En plus de la communication directe via des signaux chimiques et mécaniques, les cellules peuvent modifier le fonctionnement de leur propres mécanismes internes également. Plusieurs cellules au sein d'un organisme multicellulaire sont spécialisées par la signalisation cellulaire. Des cellules de différents types peuvent ensuite se combiner pour créer des tissus, tels que les muscles, le sang et le cerveau.

Des biologistes cellulaires notables

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes