La membrane cellulaire est un film ultramince à la surface d'une cellule ou d'un organite cellulaire, constitué d'une couche bimoléculaire de lipides contenant des protéines et des polysaccharides.

Fonctions des membranes :

• · Barrière - assure un métabolisme régulé, sélectif, passif et actif avec l'environnement. Par exemple, la membrane des peroxysomes protège le cytoplasme des peroxydes dangereux pour la cellule. La perméabilité sélective signifie que la perméabilité de la membrane à différents atomes ou molécules dépend de leur taille, charge électrique Et propriétés chimiques. La perméabilité sélective assure la séparation de la cellule et des compartiments cellulaires de l'environnement et leur fournit les substances nécessaires.
• · Transport - le transport des substances vers et hors de la cellule s'effectue à travers la membrane. Le transport à travers les membranes assure : l'apport de nutriments, l'élimination des produits métaboliques finaux, la sécrétion diverses substances, créant des gradients d'ions, maintenant un pH et des concentrations d'ions optimaux dans la cellule, nécessaires au fonctionnement des enzymes cellulaires. Particules qui, pour une raison quelconque, ne peuvent pas traverser la bicouche phospholipidique (par exemple, en raison de leurs propriétés hydrophiles, car la membrane à l'intérieur est hydrophobe et ne laisse pas passer les substances hydrophiles, ou en raison de leur grande taille), mais nécessaires à la cellule , peut pénétrer dans la membrane par l'intermédiaire de protéines porteuses spéciales (transporteurs) et de protéines de canal ou par endocytose. Dans le transport passif, les substances traversent la bicouche lipidique sans dépenser d'énergie le long d'un gradient de concentration par diffusion. Une variante de ce mécanisme est la diffusion facilitée, dans laquelle une molécule spécifique aide une substance à traverser la membrane. Cette molécule peut avoir un canal qui ne laisse passer qu’un seul type de substance. Le transport actif nécessite de l’énergie car il se produit contre un gradient de concentration. Il existe des protéines de pompe spéciales sur la membrane, notamment l'ATPase, qui pompent activement les ions potassium (K +) dans la cellule et en extraient les ions sodium (Na +).
• · matrice - assure une certaine position relative et orientation des protéines membranaires, leur interaction optimale.
• · mécanique - assure l'autonomie de la cellule, ses structures intracellulaires, ainsi que la connexion avec d'autres cellules (dans les tissus). Les parois cellulaires jouent un rôle majeur pour assurer la fonction mécanique et, chez les animaux, la substance intercellulaire.
• · énergie - lors de la photosynthèse dans les chloroplastes et de la respiration cellulaire dans les mitochondries, des systèmes de transfert d'énergie opèrent dans leurs membranes, auxquels participent également des protéines ;
• · récepteur - certaines protéines situées dans la membrane sont des récepteurs (molécules à l'aide desquelles la cellule perçoit certains signaux). Par exemple, les hormones circulant dans le sang n’agissent que sur les cellules cibles qui possèdent des récepteurs correspondant à ces hormones. Neurotransmetteurs ( produits chimiques, assurant la conduction de l'influx nerveux) se lient également à des protéines réceptrices spéciales des cellules cibles.
• · enzymatique – les protéines membranaires sont souvent des enzymes. Par exemple, les membranes plasmiques des cellules épithéliales intestinales contiennent des enzymes digestives.
• · mise en œuvre de génération et conduction de biopotentiels. Grâce à la membrane, une concentration constante d'ions est maintenue dans la cellule : la concentration de l'ion K + à l'intérieur de la cellule est beaucoup plus élevée qu'à l'extérieur, et la concentration de Na + est beaucoup plus faible, ce qui est très important, car cela assure le maintien de la différence de potentiel sur la membrane et la génération d'un influx nerveux.
• · marquage cellulaire - il y a des antigènes sur la membrane qui agissent comme des marqueurs - des « étiquettes » qui permettent d'identifier la cellule. Ce sont des glycoprotéines (c’est-à-dire des protéines auxquelles sont attachées des chaînes latérales oligosaccharidiques ramifiées) qui jouent le rôle d’« antennes ». En raison de la myriade de configurations de chaînes latérales, il est possible de créer un marqueur spécifique pour chaque type de cellule. À l’aide de marqueurs, les cellules peuvent reconnaître d’autres cellules et agir de concert avec elles, par exemple dans la formation d’organes et de tissus. Cela permet également système immunitaire reconnaître les antigènes étrangers.

Certaines molécules protéiques diffusent librement dans le plan de la couche lipidique ; à l'état normal, les parties des molécules protéiques émergeant de différents côtés de la membrane cellulaire ne changent pas de position.

La morphologie particulière des membranes cellulaires détermine leur caractéristiques électriques, parmi lesquels les plus importants sont la capacité et la conductivité.

Les propriétés capacitives sont principalement déterminées par la bicouche phospholipidique, qui est imperméable aux ions hydratés et en même temps suffisamment fine (environ 5 nm) pour permettre une séparation et un stockage efficaces des charges, ainsi qu'une interaction électrostatique des cations et des anions. De plus, les propriétés capacitives des membranes cellulaires sont l’une des raisons qui déterminent les caractéristiques temporelles processus électriques circulant sur les membranes cellulaires.

Conductivité (g) -- réciproque résistance électrique et égal au rapport du courant transmembranaire total pour un ion donné à la valeur qui a déterminé sa différence de potentiel transmembranaire.

Diverses substances peuvent diffuser à travers la bicouche phospholipidique, et le degré de perméabilité (P), c'est-à-dire la capacité de la membrane cellulaire à laisser passer ces substances, dépend de la différence de concentrations de la substance diffusante des deux côtés de la membrane, de sa solubilité. dans les lipides et les propriétés de la membrane cellulaire. Le taux de diffusion des ions chargés dans des conditions de champ constant dans la membrane est déterminé par la mobilité des ions, l'épaisseur de la membrane et la répartition des ions dans la membrane. Pour les non-électrolytes, la perméabilité de la membrane n’affecte pas sa conductivité, puisque les non-électrolytes ne portent pas de charges, c’est-à-dire qu’ils ne peuvent pas transporter de courant électrique.

La conductivité d'une membrane est une mesure de sa perméabilité ionique. Une augmentation de la conductivité indique une augmentation du nombre d'ions traversant la membrane.

Une propriété importante des membranes biologiques est la fluidité. Toutes les membranes cellulaires sont des structures fluides mobiles : la plupart des molécules lipidiques et protéiques qui les constituent sont capables de se déplacer assez rapidement dans le plan de la membrane.

Ce n’est un secret pour personne, tous les êtres vivants de notre planète sont constitués de cellules, ces innombrables « » matières organiques. Les cellules, à leur tour, sont entourées d'une coque protectrice spéciale - une membrane qui joue un rôle très important dans la vie de la cellule, et les fonctions de la membrane cellulaire ne se limitent pas à la simple protection de la cellule, mais représentent mécanisme extrêmement complexe, impliqué dans la reproduction, la nutrition et la régénération cellulaire.

Qu'est-ce qu'une membrane cellulaire

Le mot « membrane » lui-même est traduit du latin par « film », bien que la membrane ne soit pas simplement une sorte de film dans lequel la cellule est enveloppée, mais une combinaison de deux films reliés l'un à l'autre et possédant diverses propriétés. En fait, la membrane cellulaire est une membrane lipoprotéique (graisse-protéine) à trois couches qui sépare chaque cellule des cellules voisines et de l'environnement, et réalise des échanges contrôlés entre les cellules et l'environnement, c'est la définition académique de ce qu'est une membrane cellulaire. est.

L’importance de la membrane est tout simplement énorme, car elle sépare non seulement une cellule d’une autre, mais assure également l’interaction de la cellule avec les autres cellules et avec l’environnement.

Histoire de la recherche sur les membranes cellulaires

Une contribution importante à l'étude de la membrane cellulaire a été apportée par deux scientifiques allemands Gorter et Grendel en 1925. C'est alors qu'ils ont réussi à mener une expérience biologique complexe sur les globules rouges - les érythrocytes, au cours de laquelle les scientifiques ont obtenu ce qu'on appelle des « ombres », des coquilles vides d'érythrocytes, qu'ils ont empilées en une seule pile et ont mesuré la surface, et ont également calculé la quantité de lipides qu'ils contiennent. Sur la base de la quantité de lipides obtenus, les scientifiques sont arrivés à la conclusion qu'ils sont précisément contenus dans la double couche de la membrane cellulaire.

En 1935, deux autres chercheurs sur la membrane cellulaire, cette fois les Américains Daniel et Dawson, après une série de longues expériences, établirent la teneur en protéines de la membrane cellulaire. Il n’y avait pas d’autre moyen d’expliquer pourquoi la membrane avait une tension superficielle si élevée. Les scientifiques ont intelligemment présenté un modèle de membrane cellulaire en forme de sandwich, dans lequel le rôle du pain est joué par des couches homogènes de lipides et de protéines, et entre elles, au lieu d'huile, il y a des vides.

En 1950, avec l'avènement de l'électronique, la théorie de Daniel et Dawson fut confirmée par des observations pratiques : sur les micrographies de la membrane cellulaire, les couches de têtes lipidiques et protéiques ainsi que l'espace vide entre elles étaient clairement visibles.

En 1960, le biologiste américain J. Robertson a développé une théorie sur la structure à trois couches des membranes cellulaires, qui pendant longtempsétait considéré comme le seul vrai, mais avec le développement ultérieur de la science, des doutes ont commencé à surgir quant à son infaillibilité. Ainsi, par exemple, du point de vue, il serait difficile et laborieux pour les cellules de transporter les nutriments nécessaires à travers l'ensemble du « sandwich ».

Et ce n’est qu’en 1972 que les biologistes américains S. Singer et G. Nicholson ont pu expliquer les incohérences de la théorie de Robertson en utilisant un nouveau modèle fluide-mosaïque de la membrane cellulaire. En particulier, ils ont constaté que la membrane cellulaire n'est pas homogène dans sa composition, de plus, elle est asymétrique et remplie de liquide. De plus, les cellules sont constamment en mouvement. Et les protéines notoires qui font partie de la membrane cellulaire ont des structures et des fonctions différentes.

Propriétés et fonctions de la membrane cellulaire

Voyons maintenant quelles fonctions remplit la membrane cellulaire :

La fonction barrière de la membrane cellulaire est la membrane comme une véritable garde-frontière, surveillant les limites de la cellule, retardant et empêchant le passage des molécules nocives ou simplement inappropriées.

Fonction de transport de la membrane cellulaire - la membrane n'est pas seulement un garde-frontière à la porte de la cellule, mais aussi une sorte de point de contrôle douanier qui la traverse constamment ; substances utiles avec les autres cellules et l'environnement.

Fonction matricielle - c'est la membrane cellulaire qui détermine l'emplacement les uns par rapport aux autres et régule l'interaction entre elles.

Fonction mécanique - est responsable de limiter une cellule par rapport à une autre et, en parallèle, de connecter correctement les cellules les unes aux autres, de les former en un tissu homogène.

La fonction protectrice de la membrane cellulaire constitue la base de la construction du bouclier protecteur de la cellule. Dans la nature, un exemple de cette fonction peut être le bois dur, une peau dense, une coque protectrice, tout cela grâce à la fonction protectrice de la membrane.

La fonction enzymatique est une autre fonction importante assurée par certaines protéines de la cellule. Par exemple, grâce à cette fonction, la synthèse des enzymes digestives se produit dans l'épithélium intestinal.

De plus, en plus de tout cela, des échanges cellulaires se produisent à travers la membrane cellulaire, qui peuvent avoir lieu selon trois réactions différentes :

• La phagocytose est un échange cellulaire dans lequel les cellules phagocytaires intégrées dans la membrane capturent et digèrent divers nutriments.
• La pinocytose est le processus de capture par la membrane cellulaire des molécules liquides en contact avec elle. Pour ce faire, des vrilles spéciales se forment à la surface de la membrane, qui semblent entourer une goutte de liquide, formant une bulle, qui est ensuite « avalée » par la membrane.
• L'exocytose est processus inverse lorsqu'une cellule libère un fluide fonctionnel sécrétoire à travers une membrane jusqu'à la surface.

Structure de la membrane cellulaire

Il existe trois classes de lipides dans la membrane cellulaire :

• les phospholipides (qui sont une combinaison de graisses et de phosphore),
• glycolipides (une combinaison de graisses et de glucides),
• cholestérol

Les phospholipides et les glycolipides, quant à eux, sont constitués d’une tête hydrophile dans laquelle s’étendent deux longues queues hydrophobes. Le cholestérol occupe l'espace entre ces queues, les empêchant de se plier ; tout cela, dans certains cas, rend la membrane de certaines cellules très rigide. En plus de tout cela, les molécules de cholestérol organisent la structure de la membrane cellulaire.

Quoi qu’il en soit, la partie la plus importante de la structure de la membrane cellulaire est constituée de protéines, ou plutôt de différentes protéines qui jouent différents rôles importants. Malgré la diversité des protéines contenues dans la membrane, il y a quelque chose qui les unit : les lipides annulaires sont situés autour de toutes les protéines membranaires. Les lipides annulaires sont des graisses structurées spéciales qui servent en quelque sorte de coque protectrice aux protéines, sans lesquelles elles ne fonctionneraient tout simplement pas.

La structure de la membrane cellulaire comporte trois couches : la base de la membrane cellulaire est une couche bilipidique liquide homogène. Les protéines le recouvrent des deux côtés comme une mosaïque. Ce sont les protéines, en plus des fonctions décrites ci-dessus, qui jouent également le rôle de canaux particuliers par lesquels les substances incapables de pénétrer à travers la couche liquide de la membrane traversent la membrane. Ceux-ci incluent, par exemple, les ions potassium et sodium ; pour leur pénétration à travers la membrane, la nature fournit des canaux ioniques spéciaux dans les membranes cellulaires. Autrement dit, les protéines assurent la perméabilité des membranes cellulaires.

Si nous regardons la membrane cellulaire au microscope, nous verrons une couche de lipides formée de petites molécules sphériques sur lesquelles nagent les protéines comme sur la mer. Vous savez maintenant quelles substances composent la membrane cellulaire.

Vidéo sur la membrane cellulaire

Et enfin, une vidéo pédagogique sur la membrane cellulaire.

9.5.1. L'une des fonctions principales des membranes est de participer au transfert de substances. Ce processus est réalisé grâce à trois mécanismes principaux : la diffusion simple, la diffusion facilitée et le transport actif (Figure 9.10). Souviens-toi les caractéristiques les plus importantes de ces mécanismes et des exemples de substances transportées dans chaque cas.

Graphique 9.10. Mécanismes de transport des molécules à travers la membrane

Diffusion simple- transfert de substances à travers la membrane sans participation mécanismes spéciaux. Le transport s'effectue selon un gradient de concentration sans consommation d'énergie. Par simple diffusion, de petites biomolécules sont transportées - H2O, CO2, O2, urée, substances hydrophobes de faible poids moléculaire. Le taux de diffusion simple est proportionnel au gradient de concentration.

Diffusion facilitée- transfert de substances à travers la membrane à l'aide de canaux protéiques ou de protéines porteuses spéciales. Elle s'effectue selon un gradient de concentration sans consommation d'énergie. Les monosaccharides, les acides aminés, les nucléotides, le glycérol et certains ions sont transportés. La cinétique de saturation est caractéristique - à une certaine concentration (saturante) de la substance transportée, toutes les molécules du support participent au transfert et la vitesse de transport atteint une valeur maximale.

Transports actifs- nécessite également la participation de protéines de transport spéciales, mais le transport s'effectue à contre-courant d'un gradient de concentration et nécessite donc une dépense énergétique. Grâce à ce mécanisme, les ions Na+, K+, Ca2+, Mg2+ sont transportés à travers la membrane cellulaire et les protons sont transportés à travers la membrane mitochondriale. Le transport actif de substances est caractérisé par une cinétique de saturation.

9.5.2. Un exemple de système de transport qui effectue le transport actif d'ions est la Na+,K+-adénosine triphosphatase (Na+,K+-ATPase ou Na+,K+-pompe). Cette protéine est située profondément dans la membrane plasmique et est capable de catalyser la réaction d’hydrolyse de l’ATP. L'énergie libérée lors de l'hydrolyse d'1 molécule d'ATP est utilisée pour transférer 3 ions Na+ de la cellule vers l'espace extracellulaire et 2 ions K+ dans le sens opposé (Figure 9.11). Sous l’action de la Na+,K+-ATPase, une différence de concentration se crée entre le cytosol cellulaire et le liquide extracellulaire. Puisque le transfert d’ions n’est pas équivalent, une différence apparaît potentiels électriques. Ainsi, un potentiel électrochimique apparaît, constitué de l'énergie de la différence de potentiels électriques Δφ et de l'énergie de la différence des concentrations de substances ΔC des deux côtés de la membrane.

Graphique 9.11. Schéma de la pompe Na+, K+.

9.5.3. Transport de particules et de composés de haut poids moléculaire à travers les membranes

Parallèlement au transport de substances organiques et d'ions effectué par les porteurs, il existe dans la cellule un mécanisme très spécial conçu pour absorber les composés de haut poids moléculaire dans la cellule et en éliminer les composés de haut poids moléculaire en modifiant la forme de la biomembrane. Ce mécanisme est appelé transport vésiculaire.

Graphique 9.12. Types de transport vésiculaire : 1 - endocytose ; 2 - exocytose.

Lors du transfert de macromolécules, la formation et la fusion séquentielles de vésicules entourées d'une membrane (vésicules) se produisent. En fonction du sens de transport et de la nature des substances transportées, on distingue les types de transport vésiculaire suivants :

Endocytose(Figure 9.12, 1) - transfert de substances dans la cellule. Selon la taille des vésicules résultantes, on distingue :

UN) pinocytose — absorption de macromolécules liquides et dissoutes (protéines, polysaccharides, acides nucléiques) à l'aide de petites bulles (150 nm de diamètre) ;

b) phagocytose — absorption de grosses particules, telles que des micro-organismes ou des débris cellulaires. Dans ce cas, de grosses vésicules appelées phagosomes se forment d'un diamètre supérieur à 250 nm.

La pinocytose est caractéristique de la plupart des cellules eucaryotes, tandis que les grosses particules sont absorbées par des cellules spécialisées - les leucocytes et les macrophages. Au premier stade de l'endocytose, des substances ou des particules sont adsorbées à la surface de la membrane ; ce processus se déroule sans consommation d'énergie. À l'étape suivante, la membrane contenant la substance adsorbée s'enfonce dans le cytoplasme ; les invaginations locales de la membrane plasmique qui en résultent se détachent de la surface cellulaire, formant des vésicules qui migrent ensuite dans la cellule. Ce processus est relié par un système de microfilaments et dépend de l'énergie. Les vésicules et phagosomes qui pénètrent dans la cellule peuvent fusionner avec les lysosomes. Les enzymes contenues dans les lysosomes décomposent les substances contenues dans les vésicules et les phagosomes en produits de faible poids moléculaire (acides aminés, monosaccharides, nucléotides), qui sont transportés dans le cytosol, où ils peuvent être utilisés par la cellule.

Exocytose(Figure 9.12, 2) - transfert de particules et de gros composés depuis la cellule. Ce processus, comme l'endocytose, se produit avec l'absorption d'énergie. Les principaux types d’exocytose sont :

UN) sécrétion - élimination de la cellule des composés hydrosolubles qui sont utilisés ou affectent d'autres cellules du corps. Peut être réalisé aussi bien par des cellules non spécialisées que par des cellules des glandes endocrines, des muqueuses tractus gastro-intestinal, adaptés à la sécrétion des substances qu'ils produisent (hormones, neurotransmetteurs, proenzymes) en fonction des besoins spécifiques de l'organisme.

Les protéines sécrétées sont synthétisées sur les ribosomes associés aux membranes du réticulum endoplasmique rugueux. Ces protéines sont ensuite transportées vers l'appareil de Golgi, où elles sont modifiées, concentrées, triées, puis conditionnées en vésicules, qui sont libérées dans le cytosol et fusionnent ensuite avec la membrane plasmique afin que le contenu des vésicules soit à l'extérieur de la cellule.

Contrairement aux macromolécules, les petites particules sécrétées, telles que les protons, sont transportées hors de la cellule grâce à des mécanismes de diffusion facilitée et de transport actif.

b) excrétion - élimination de la cellule des substances qui ne peuvent pas être utilisées (par exemple, lors de l'érythropoïèse, élimination des réticulocytes de la substance maillée, qui est des restes agrégés d'organites). Le mécanisme d'excrétion semble être le suivant : les particules excrétées sont initialement piégées dans une vésicule cytoplasmique, qui fusionne ensuite avec la membrane plasmique.

La grande majorité des organismes vivant sur Terre sont constitués de cellules largement similaires dans leur composition chimique, leur structure et leurs fonctions vitales. Le métabolisme et la conversion d'énergie se produisent dans chaque cellule. La division cellulaire est à la base des processus de croissance et de reproduction des organismes. Ainsi, la cellule est une unité de structure, de développement et de reproduction des organismes.

Une cellule ne peut exister que comme un système intégral, indivisible en parties. L'intégrité cellulaire est assurée par des membranes biologiques. Une cellule est un élément d'un système de rang supérieur : un organisme. Les parties et organites d'une cellule, constitués de molécules complexes, sont systèmes complets rang inférieur.

Cage - système ouvert, associé à l’environnement, au métabolisme et à l’énergie. C'est un système fonctionnel dans lequel chaque molécule remplit des fonctions spécifiques. La cellule a une stabilité, la capacité de s’autoréguler et de s’auto-reproduire.

La cellule est un système autonome. Le système génétique contrôlant la cellule est représenté par des macromolécules complexes - acides nucléiques(ADN et ARN).

En 1838-1839 Les biologistes allemands M. Schleiden et T. Schwann ont résumé les connaissances sur la cellule et formulé la position principale de la théorie cellulaire, dont l'essence est que tous les organismes, végétaux et animaux, sont constitués de cellules.

En 1859, R. Virchow a décrit le processus de division cellulaire et a formulé l'une des dispositions les plus importantes de la théorie cellulaire : « Chaque cellule vient d'une autre cellule ». Les nouvelles cellules se forment à la suite de la division de la cellule mère et non à partir d'une substance non cellulaire, comme on le pensait auparavant.

La découverte des œufs de mammifères par le scientifique russe K. Baer en 1826 a conduit à la conclusion que la cellule est à la base du développement des organismes multicellulaires.

La théorie cellulaire moderne comprend les dispositions suivantes :

1) cellule - l'unité de structure et de développement de tous les organismes ;

2) les cellules d'organismes de différents règnes de la nature vivante sont similaires en termes de structure, de composition chimique, de métabolisme et de manifestations fondamentales de l'activité vitale ;

3) de nouvelles cellules sont formées à la suite de la division de la cellule mère ;

4) dans un organisme multicellulaire, les cellules forment des tissus ;

5) les organes sont constitués de tissus.

Avec l'introduction à la biologie des connaissances biologiques, physiques et méthodes chimiques Les recherches ont permis d'étudier la structure et le fonctionnement de différents composants cellulaires. L'une des méthodes d'étude des cellules est microscopie. Un microscope optique moderne grossit les objets 3 000 fois et vous permet de voir les plus gros organites cellulaires, d'observer le mouvement du cytoplasme et la division cellulaire.

Inventé dans les années 40. XXe siècle Un microscope électronique permet un grossissement de dizaines et de centaines de milliers de fois. Un microscope électronique utilise un flux d'électrons au lieu de lumière et au lieu de lentilles - champs électromagnétiques. Par conséquent, un microscope électronique produit des images claires à des grossissements beaucoup plus élevés. À l'aide d'un tel microscope, il a été possible d'étudier la structure des organites cellulaires.

La structure et la composition des organites cellulaires sont étudiées à l'aide de la méthode centrifugation. Les tissus hachés dont les membranes cellulaires sont détruites sont placés dans des tubes à essai et mis en rotation dans une centrifugeuse à grande vitesse. La méthode est basée sur le fait que différents organoïdes cellulaires ont une masse et une densité différentes. Les organites plus denses sont déposés dans un tube à essai à basse vitesse de centrifugation, les moins denses - à haute vitesse. Ces couches sont étudiées séparément.

Largement utilisé méthode de culture cellulaire et tissulaire, qui consiste dans le fait qu'à partir d'une ou plusieurs cellules sur un milieu nutritif spécial, on peut obtenir un groupe du même type de cellules animales ou végétales et même faire pousser une plante entière. En utilisant cette méthode, vous pouvez obtenir une réponse à la question de savoir comment divers tissus et organes du corps sont formés à partir d'une seule cellule.

Les principes de base de la théorie cellulaire ont été formulés pour la première fois par M. Schleiden et T. Schwann. Une cellule est une unité de structure, d'activité vitale, de reproduction et de développement de tous les organismes vivants. Pour étudier les cellules, des méthodes de microscopie, de centrifugation, de culture cellulaire et tissulaire, etc. sont utilisées.

Les cellules des champignons, des plantes et des animaux ont de nombreux points communs non seulement en termes de composition chimique, mais également de structure. Lors de l'examen d'une cellule au microscope, diverses structures y sont visibles - organoïdes. Chaque organite remplit des fonctions spécifiques. Il y a trois parties principales dans une cellule : la membrane plasmique, le noyau et le cytoplasme (Figure 1).

Membrane plasmique sépare la cellule et son contenu de l'environnement. Sur la figure 2, vous voyez : la membrane est formée de deux couches de lipides et les molécules de protéines pénètrent dans l'épaisseur de la membrane.

Fonction principale de la membrane plasmique transport. Il assure l'apport de nutriments dans la cellule et l'élimination des produits métaboliques.

Une propriété importante de la membrane est perméabilité sélective, ou semi-perméabilité, permet à la cellule d'interagir avec l'environnement : seules certaines substances y pénètrent et en sont éliminées. De petites molécules d'eau et d'autres substances pénètrent dans la cellule par diffusion, en partie à travers les pores de la membrane.

Les sucres, les acides organiques et les sels sont dissous dans le cytoplasme, la sève cellulaire des vacuoles d'une cellule végétale. De plus, leur concentration dans la cellule est nettement plus élevée que dans environnement. Plus la concentration de ces substances dans la cellule est élevée, plus elle absorbe d’eau. On sait que l'eau est constamment consommée par la cellule, ce qui entraîne une augmentation de la concentration de sève cellulaire et de l'eau qui pénètre à nouveau dans la cellule.

L'entrée de molécules plus grosses (glucose, acides aminés) dans la cellule est assurée par des protéines de transport membranaire qui, se combinant aux molécules des substances transportées, les transportent à travers la membrane. Ce processus implique des enzymes qui décomposent l'ATP.

Figure 1. Schéma généralisé de la structure d'une cellule eucaryote.
(pour agrandir l'image, cliquez sur l'image)

Figure 2. Structure de la membrane plasmique.
1 - protéines perçantes, 2 - protéines immergées, 3 - protéines externes

Figure 3. Schéma de pinocytose et phagocytose.

Des molécules encore plus grosses de protéines et de polysaccharides pénètrent dans la cellule par phagocytose (du grec. phagos- dévorer et kitos- vaisseau, cellule), et gouttes de liquide - par pinocytose (du grec. pinot- Je bois et kitos) (Figure 3).

Les cellules animales, contrairement aux cellules végétales, sont entourées d'un « pelage » doux et flexible formé principalement de molécules de polysaccharides qui, unissant certaines protéines et lipides membranaires, entourent la cellule de l'extérieur. La composition des polysaccharides est spécifique aux différents tissus, grâce à laquelle les cellules se « reconnaissent » et se connectent les unes aux autres.

Les cellules végétales n'ont pas un tel « manteau ». Ils sont recouverts d’une membrane plasmique poreuse. membrane cellulaire, constitué principalement de cellulose. À travers les pores, des fils de cytoplasme s'étendent de cellule en cellule, reliant les cellules les unes aux autres. C’est ainsi que s’effectue la communication entre les cellules et l’intégrité du corps.

La membrane cellulaire des plantes joue le rôle d’un squelette solide et protège la cellule des dommages.

La plupart des bactéries et tous les champignons possèdent une membrane cellulaire, seule sa composition chimique est différente. Chez les champignons, il s'agit d'une substance semblable à la chitine.

Les cellules des champignons, des plantes et des animaux ont une structure similaire. Une cellule comporte trois parties principales : le noyau, le cytoplasme et la membrane plasmique. La membrane plasmique est composée de lipides et de protéines. Il assure l'entrée des substances dans la cellule et leur libération hors de la cellule. Dans les cellules des plantes, des champignons et de la plupart des bactéries, il existe une membrane cellulaire au-dessus de la membrane plasmique. Il remplit une fonction protectrice et joue le rôle de squelette. Chez les plantes, la paroi cellulaire est constituée de cellulose et chez les champignons, elle est constituée d'une substance semblable à la chitine. Les cellules animales sont recouvertes de polysaccharides qui assurent les contacts entre les cellules d'un même tissu.

Savez-vous que la partie principale de la cellule est cytoplasme. Il se compose d’eau, d’acides aminés, de protéines, de glucides, d’ATP et d’ions de substances inorganiques. Le cytoplasme contient le noyau et les organites de la cellule. Dans celui-ci, les substances se déplacent d'une partie de la cellule à une autre. Le cytoplasme assure l'interaction de tous les organites. Des réactions chimiques ont lieu ici.

L'ensemble du cytoplasme est imprégné de minces microtubules protéiques qui forment cytosquelette cellulaire, grâce à quoi il conserve une forme constante. Le cytosquelette cellulaire est flexible, puisque les microtubules sont capables de changer de position, de se déplacer d'un côté et de se raccourcir de l'autre. Diverses substances pénètrent dans la cellule. Que leur arrive-t-il dans la cage ?

Dans les lysosomes - petites vésicules membranaires rondes (voir Fig. 1), les molécules de substances organiques complexes sont décomposées en molécules plus simples à l'aide d'enzymes hydrolytiques. Par exemple, les protéines sont décomposées en acides aminés, les polysaccharides en monosaccharides, les graisses en glycyrine et en acides gras. Pour cette fonction, les lysosomes sont souvent appelés les « stations digestives » de la cellule.

Si la membrane des lysosomes est détruite, les enzymes qu'ils contiennent peuvent digérer la cellule elle-même. C’est pourquoi les lysosomes sont parfois appelés « armes de destruction cellulaire ».

Oxydation enzymatique de petites molécules d'acides aminés, monosaccharides formés dans les lysosomes, acides gras et les alcools au carbone, aux gaz acides et à l'eau commencent dans le cytoplasme et se terminent dans d'autres organites - mitochondries. Les mitochondries sont des organites en forme de bâtonnets, filiformes ou sphériques, délimitées du cytoplasme par deux membranes (Fig. 4). La membrane externe est lisse et la membrane interne forme des plis - Cristaux, ce qui augmente sa surface. La membrane interne contient des enzymes qui participent aux réactions d'oxydation des substances organiques pour dioxyde de carbone et de l'eau. Cela libère de l'énergie stockée par la cellule dans les molécules d'ATP. C’est pourquoi les mitochondries sont appelées les « centrales électriques » de la cellule.

Dans la cellule, les substances organiques sont non seulement oxydées, mais également synthétisées. La synthèse des lipides et des glucides s'effectue sur le réticulum endoplasmique - EPS (Fig. 5), et des protéines - sur les ribosomes. Qu’est-ce que l’EPS ? Il s'agit d'un système de tubules et de citernes dont les parois sont formées par une membrane. Ils imprègnent tout le cytoplasme. Les substances se déplacent à travers les canaux du RE vers différentes parties de la cellule.

Il existe des EPS lisses et rugueux. À la surface du RE lisse, les glucides et les lipides sont synthétisés avec la participation d'enzymes. La rugosité du ER est donnée par les petits corps ronds qui s'y trouvent - ribosomes(voir Fig. 1), qui participent à la synthèse des protéines.

La synthèse de substances organiques se produit également dans plastes, que l'on trouve uniquement dans les cellules végétales.

Riz. 4. Schéma de la structure des mitochondries.
1.- membrane externe; 2.- membrane interne; 3.- plis de la membrane interne - crêtes.

Riz. 5. Schéma de la structure du PSE brut.

Riz. 6. Schéma de la structure d'un chloroplaste.
1.- membrane externe; 2.- membrane interne; 3.- contenu interne du chloroplaste ; 4.- plis de la membrane interne, rassemblés en « piles » et formant grana.

Dans les plastes incolores - leucoplastes(du grec leucose- blanc et plastos- créé) l'amidon s'accumule. Les tubercules de pomme de terre sont très riches en leucoplastes. Les couleurs jaune, orange et rouge sont données aux fruits et aux fleurs. chromoplastes(du grec chrome- la couleur et plastos). Ils synthétisent des pigments impliqués dans la photosynthèse - caroténoïdes. Dans la vie végétale, il est particulièrement important chloroplastes(du grec chloros- verdâtre et plastos) - plastes verts. Sur la figure 6, vous voyez que les chloroplastes sont recouverts de deux membranes : une externe et une interne. La membrane interne forme des plis ; entre les plis se trouvent des bulles disposées en piles - grains. Les granas contiennent des molécules de chlorophylle, impliquées dans la photosynthèse. Chaque chloroplaste contient environ 50 grains disposés en damier. Cette disposition assure un éclairage maximal de chaque visage.

Dans le cytoplasme, les protéines, les lipides et les glucides peuvent s’accumuler sous forme de grains, de cristaux et de gouttelettes. Ces inclusion- réserver les nutriments qui sont consommés par la cellule selon ses besoins.

Dans les cellules végétales, une partie des nutriments de réserve, ainsi que des produits de dégradation, s'accumulent dans la sève cellulaire des vacuoles (voir Fig. 1). Ils peuvent représenter jusqu’à 90 % du volume d’une cellule végétale. Les cellules animales possèdent des vacuoles temporaires qui n'occupent pas plus de 5 % de leur volume.

Riz. 7. Schéma de la structure du complexe de Golgi.

Sur la figure 7, vous voyez un système de cavités entourées d'une membrane. Ce Complexe de Golgi, qui remplit diverses fonctions dans la cellule : participe à l'accumulation et au transport des substances, à leur élimination de la cellule, à la formation des lysosomes et de la membrane cellulaire. Par exemple, les molécules de cellulose pénètrent dans la cavité du complexe de Golgi qui, à l'aide de vésicules, se déplacent vers la surface cellulaire et sont incluses dans la membrane cellulaire.

La plupart des cellules se reproduisent par division. Participer à ce processus centre cellulaire. Il se compose de deux centrioles entourés d'un cytoplasme dense (voir Fig. 1). Au début de la division, les centrioles se déplacent vers les pôles de la cellule. Des fils protéiques en émanent, qui se connectent aux chromosomes et assurent leur répartition uniforme entre les deux cellules filles.

Tous les organites cellulaires sont étroitement interconnectés. Par exemple, les molécules de protéines sont synthétisées dans les ribosomes et transportées via les canaux du RE vers différentes parties les cellules et dans les lysosomes, les protéines sont détruites. Les molécules nouvellement synthétisées sont utilisées pour construire des structures cellulaires ou s'accumulent dans le cytoplasme et les vacuoles comme nutriments de réserve.

La cellule est remplie de cytoplasme. Le cytoplasme contient le noyau et divers organites : lysosomes, mitochondries, plastes, vacuoles, ER, centre cellulaire, complexe de Golgi. Ils diffèrent par leur structure et leurs fonctions. Tous les organites du cytoplasme interagissent les uns avec les autres, assurant le fonctionnement normal de la cellule.

Tableau 1. STRUCTURE CELLULAIRE

Le rôle le plus important dans l'activité vitale et la division des cellules des champignons, des plantes et des animaux appartient au noyau et aux chromosomes qui s'y trouvent. La plupart des cellules de ces organismes ont un seul noyau, mais il existe également des cellules multinucléées, comme les cellules musculaires. Le noyau est situé dans le cytoplasme et a une forme ronde ou ovale. Il est recouvert d'une coque constituée de deux membranes. L'enveloppe nucléaire comporte des pores à travers lesquels s'effectue l'échange de substances entre le noyau et le cytoplasme. Le noyau est rempli de jus nucléaire, dans lequel se trouvent les nucléoles et les chromosomes.

Nucléoles- ce sont des « ateliers de production » de ribosomes, formés à partir d'ARN ribosomiques formés dans le noyau et de protéines synthétisées dans le cytoplasme.

La fonction principale du noyau - stockage et transmission des informations héréditaires - est associée à chromosomes. Chaque type d'organisme possède son propre ensemble de chromosomes : un certain nombre, une forme et une taille.

Toutes les cellules du corps, à l'exception des cellules sexuelles, sont appelées somatique(du grec soma- corps). Les cellules d'un organisme de la même espèce contiennent le même ensemble de chromosomes. Par exemple, chez l'homme, chaque cellule du corps contient 46 chromosomes, chez la mouche des fruits, la drosophile, 8 chromosomes.

Les cellules somatiques possèdent généralement un double jeu de chromosomes. Ça s'appelle diploïde et est noté 2 n. Ainsi, une personne possède 23 paires de chromosomes, soit 2 n= 46. Les cellules sexuelles contiennent deux fois moins de chromosomes. Est-ce célibataire, ou haploïde, trousse. La personne a 1 n = 23.

Tous les chromosomes des cellules somatiques, contrairement aux chromosomes des cellules germinales, sont appariés. Les chromosomes qui composent une paire sont identiques les uns aux autres. Les chromosomes appariés sont appelés homologue. Les chromosomes qui appartiennent à différents couples et varient en forme et en taille, appelés non homologue(Fig. 8).

Chez certaines espèces, le nombre de chromosomes peut être le même. Par exemple, le trèfle rouge et les pois ont 2 n= 14. Cependant, leurs chromosomes diffèrent par la forme, la taille et la composition nucléotidique des molécules d'ADN.

Riz. 8. Ensemble de chromosomes dans les cellules de drosophile.

Riz. 9. Structure chromosomique.

Pour comprendre le rôle des chromosomes dans la transmission de l’information héréditaire, il est nécessaire de se familiariser avec leur structure et leur composition chimique.

Les chromosomes d'une cellule qui ne se divise pas ressemblent à de longs fils fins. Avant la division cellulaire, chaque chromosome est constitué de deux brins identiques : chromatide, qui sont reliés entre les tailles de la taille - (Fig. 9).

Les chromosomes sont constitués d'ADN et de protéines. Puisque la composition nucléotidique de l’ADN diffère selon différents types, la composition des chromosomes est unique à chaque espèce.

Chaque cellule, à l’exception des cellules bactériennes, possède un noyau dans lequel se trouvent les nucléoles et les chromosomes. Chaque espèce est caractérisée par un certain ensemble de chromosomes : nombre, forme et taille. Dans les cellules somatiques de la plupart des organismes, l'ensemble des chromosomes est diploïde, dans les cellules sexuelles, il est haploïde. Les chromosomes appariés sont appelés homologues. Les chromosomes sont constitués d'ADN et de protéines. Les molécules d'ADN assurent le stockage et la transmission des informations héréditaires de cellule à cellule et d'organisme à organisme.

Après avoir travaillé sur ces sujets, vous devriez être capable de :

1. Expliquez dans quels cas un microscope optique (structure) ou un microscope électronique à transmission doit être utilisé.
2. Décrire la structure de la membrane cellulaire et expliquer la relation entre la structure de la membrane et sa capacité à échanger des substances entre la cellule et son environnement.
3. Définir les processus : diffusion, diffusion facilitée, transport actif, endocytose, exocytose et osmose. Indiquez les différences entre ces processus.
4. Nommer les fonctions des structures et indiquer dans quelles cellules (végétales, animales ou procaryotes) elles se trouvent : noyau, membrane nucléaire, nucléoplasme, chromosomes, membrane plasmique, ribosome, mitochondrie, paroi cellulaire, chloroplaste, vacuole, lysosome, réticulum endoplasmique lisse (agranulaire) et rugueux (granulaire), centre cellulaire, appareil de Golgi, cil, flagelle, mésosome, pili ou fimbriae.
5. Nommez au moins trois signes par lesquels une cellule végétale peut être distinguée d'une cellule animale.
6. Énumérez les différences les plus importantes entre les cellules procaryotes et eucaryotes.

Ivanova T.V., Kalinova G.S., Myagkova A.N. "Biologie générale". Moscou, "Lumières", 2000

• Thème 1. "Membrane plasmique". §1, §8 p. 5;20
• Sujet 2. "Cage". §8-10 p. 20-30
• Sujet 3. "Cellule procaryote. Virus." §11 p. 31-34

Membranes cellulaires

L’organisation structurelle d’une cellule repose sur le principe de structure membranaire, c’est-à-dire que la cellule est principalement constituée de membranes. Toutes les membranes biologiques ont en commun caractéristiques structurelles et propriétés.

Actuellement, le modèle de mosaïque liquide de la structure de la membrane est généralement accepté.

La membrane repose sur une bicouche lipidique formée principalement phospholipides. Les lipides constituent en moyenne ≈40% composition chimique membranes. Dans une bicouche, les queues des molécules de la membrane se font face et les têtes polaires sont tournées vers l'extérieur, la surface de la membrane est donc hydrophile. Les lipides déterminent les propriétés fondamentales des membranes.

En plus des lipides, la membrane contient des protéines (en moyenne ≈60 %). Ils déterminent la plupart des fonctions spécifiques de la membrane. Les molécules de protéines ne forment pas une couche continue (Fig. 280). Selon la localisation dans la membrane, on distingue :

© protéines périphériques- des protéines situées à l'extérieur ou surface intérieure bicouche lipidique;

© protéines semi-intégrales- des protéines immergées dans la bicouche lipidique à différentes profondeurs ;

© intégral, ou protéines transmembranaires - protéines qui pénètrent dans la membrane, entrant en contact avec l'environnement externe et interne de la cellule.

Les protéines membranaires peuvent remplir diverses fonctions :

© transport de certaines molécules ;

© catalyse des réactions se produisant sur les membranes ;

© maintenir la structure de la membrane ;

© recevoir et convertir les signaux de l'environnement.

La membrane peut contenir de 2 à 10 % de glucides. La composante glucidique des membranes est généralement représentée par des chaînes d'oligosaccharides ou de polysaccharides associées à des molécules protéiques (glycoprotéines) ou lipidiques (glycolipides). Les glucides se trouvent principalement sur surface extérieure membranes. Les fonctions des glucides dans la membrane cellulaire ne sont pas entièrement comprises, mais on peut dire qu'ils assurent les fonctions réceptrices de la membrane.

Dans les cellules animales, les glycoprotéines forment un complexe supra-membranaire - glycocalice, ayant une épaisseur de plusieurs dizaines de nanomètres. La digestion extracellulaire s'y produit, de nombreux récepteurs cellulaires sont localisés et l'adhésion cellulaire se produit apparemment avec son aide.

Les molécules de protéines et de lipides sont mobiles et capables de se déplacer , principalement dans le plan de la membrane. Les membranes sont asymétriques , c'est-à-dire que la composition lipidique et protéique des surfaces externe et interne de la membrane est différente.

L'épaisseur de la membrane plasmique est en moyenne de 7,5 nm.

L'une des fonctions principales de la membrane est le transport, assurant l'échange de substances entre la cellule et le milieu extérieur. Les membranes ont la propriété de perméabilité sélective, c'est-à-dire qu'elles sont bien perméables à certaines substances ou molécules et peu perméables (ou complètement imperméables) à d'autres. Perméabilité de la membrane pour différentes substances dépend à la fois des propriétés de leurs molécules (polarité, taille, etc.) et des caractéristiques des membranes (la partie interne de la couche lipidique est hydrophobe).

Il existe différents mécanismes de transport de substances à travers la membrane (Fig. 281). Selon la nécessité d'utiliser de l'énergie pour transporter des substances, il existe :

© transport passif- transport de substances sans consommation d'énergie ;

© transports actifs- des transports consommateurs d'énergie.

Le transport passif repose sur la différence de concentrations et de charges. Dans le transport passif, les substances se déplacent toujours d'une zone de concentration plus élevée vers une zone de concentration plus faible, c'est-à-dire le long d'un gradient de concentration. Si la molécule est chargée, son transport est également affecté par le gradient électrique. Par conséquent, les gens parlent souvent d’un gradient électrochimique, combinant les deux gradients. La vitesse du transport dépend de l'ampleur de la pente.

Il existe trois mécanismes principaux de transport passif :

© Diffusion simple- le transport de substances directement à travers la bicouche lipidique. Les gaz, les molécules apolaires ou les petites molécules polaires non chargées le traversent facilement. Plus la molécule est petite et plus elle est liposoluble, plus elle pénètre rapidement dans la membrane. Il est intéressant de noter que l’eau, bien qu’elle soit relativement insoluble dans les graisses, pénètre très rapidement dans la bicouche lipidique. Cela s'explique par le fait que sa molécule est petite et électriquement neutre. La diffusion de l'eau à travers les membranes est appelée par osmose.

© Diffusion facilitée- transport de substances utilisant des moyens spéciaux

protéines de transport, dont chacune est responsable du transport de molécules spécifiques ou de groupes de molécules apparentées. Ils interagissent avec la molécule de la substance transportée et la déplacent d'une manière ou d'une autre à travers la membrane. De cette manière, les sucres, les acides aminés, les nucléotides et de nombreuses autres molécules polaires sont transportés dans la cellule.

Le besoin de transport actif apparaît lorsqu’il est nécessaire d’assurer le transport de molécules à travers la membrane contre un gradient électrochimique. Ce transport est réalisé par des protéines porteuses, dont l'activité nécessite de l'énergie. La source d'énergie est constituée de molécules d'ATP.

L'un des systèmes de transport actif les plus étudiés est la pompe sodium-potassium. La concentration de K à l'intérieur de la cellule est beaucoup plus élevée qu'à l'extérieur, et Na - vice versa. Par conséquent, K diffuse passivement hors de la cellule à travers les pores d’eau de la membrane et Na dans la cellule. Dans le même temps, pour le fonctionnement normal de la cellule, il est important de maintenir un certain rapport d'ions K et Na dans le cytoplasme et dans environnement externe. Ceci est possible car la membrane, grâce à la présence d'une pompe (Na + K), pompe activement Na hors de la cellule et K dans la cellule. Le fonctionnement de la pompe (Na + K) consomme près d'un tiers de toute l'énergie nécessaire à la vie de la cellule.

La pompe est une protéine membranaire transmembranaire spéciale capable de changements de conformation, grâce auxquels elle peut attacher à la fois les ions K et Na. Le cycle de fonctionnement d'une pompe (Na + K) se compose de plusieurs phases (Fig. 282) :

© Les ions Na et une molécule d'ATP pénètrent dans la protéine pompe par l'intérieur de la membrane, et les ions K par l'extérieur ;

© Les ions Na se combinent avec une molécule protéique et la protéine acquiert une activité ATPase, c'est-à-dire qu'elle acquiert la capacité de provoquer l'hydrolyse de l'ATP, accompagnée de la libération d'énergie qui entraîne la pompe ;

© le phosphate libéré lors de l'hydrolyse de l'ATP se fixe à la protéine, c'est-à-dire qu'une phosphorylation de la protéine se produit ;

La phosphorylation provoque des changements conformationnels dans la protéine, elle devient incapable de retenir les ions Na - ils sont libérés et quittent la cellule ;

© la nouvelle conformation de la protéine est telle qu'il devient possible d'y attacher des ions K ;

© l'ajout d'ions K provoque une déphosphorylation de la protéine, à la suite de laquelle elle change à nouveau de conformation ;

© un changement de conformation des protéines entraîne la libération d'ions K à l'intérieur de la cellule ;

© maintenant, la protéine est à nouveau prête à attacher des ions Na à elle-même.

Au cours d'un cycle de fonctionnement, la pompe pompe 3 ions Na de la cellule et pompe 2 ions K. Cette différence dans le nombre d'ions transférés est due au fait que la perméabilité de la membrane pour les ions K est supérieure à celle pour Na. ions. En conséquence, K diffuse passivement hors de la cellule plus rapidement que Na dans la cellule.

La pinocytose est le processus de capture et d'absorption de gouttelettes de liquide contenant des substances dissoutes.

Exocytose- le processus d'élimination de diverses substances de la cellule. Lors de l'exocytose, la membrane de la vésicule (ou vacuole), au contact de la membrane cytoplasmique externe, fusionne avec elle. Le contenu de la vésicule est éliminé à l'extérieur du trou et sa membrane est incluse dans la membrane cytoplasmique externe.