1ES_Activités_La cellule

THEME : UNE LONGUE HISTOIRE DE L A MATIERE

Chapitre : Une structure complexe, la cellule vivante

Activité 3 : La structure de la membrane plasmique

Activité 1 : De la découverte de la cellule à la théorie cellulaire

Activité 2 : L’exploration de la cellule au microscope

Activité 4 : La cellule, un milieu pas si clos

Activité 1 : De la découverte de la cellule à la théorie cellulaire

Si l’étude de l’infiniment grand remonte au début de l’antiquité, l’étude de l’infiniment petit est beaucoup plus récente. Même si Aristote pensait déjà que les animaux et les plantes, si complexes soient-ils, sont formés de peu d’éléments qui se répètent, impossible de confirmer ces hypothèses par l’observation directe. L’observation du monde microscopique et donc des cellules a été rendu possible par l’invention du microscope par Janssen en 1595. ➔ Comment une succession de progrès techniques a permis l’élaboration de la théorie cellulaire ?

1/ Jeu « Timeline » - de la découverte de la cellule à la théorie cellulaire a) Regardez la vidéo et le site internet, prenez des notes (dates, scientifiques, découvertes, inventions, …) b) Jouez au jeu « Timeline » en suivant les règles à disposition afin d’expliquer en quoi les progrès techniques ont permis la découverte de la structure des êtres vivants. c) Complétez la frise (document 2 du livret de cours).

2/ Pasteur réfute la théorie de la génération spontanée a) A l’aide du document, énoncez la théorie de la génération spontanée. b) Après avoir décrit l’expérience de Pasteur, expliquez comment celle-ci invalide la théorie de la génération spontanée.

"Les matières en décomposition engendrent des vers, de telle sorte que la terre ne produit que les plantes et les animaux conçus dès l'origine par le Créateur, par l'intermédiaire de germes qui ont été ensemencés dans les milieux favorables à leur développement." Aristote (-384 à -322) De la génération et de la corruption. Aristote défend dans cet ouvrage l'idée de la génération spontanée, selon laquelle la vie (les mouches) peut apparaître spontanément à partir de matière inerte.

3/ Les 3 principes de la théorie cellulaire Sur le document 1 du livret de cours, énoncez les 3 principes de la théorie cellulaire et envisagez des limites à cette théorie. 4/ QCM Pronote évalué

Critique de la théorie (Belin p51)

Pour aller plus loin : Lecture d'une BD sur l'histoire de la découverte de la cellule et des avancés du microscope

Activité 2 : L’exploration de la cellule au microscope

La théorie cellulaire, c’est-à-dire le fait que la cellule est l’unité de base de tous les êtres vivants a été admise à la fin du 19ème siècle. Depuis, les biologistes continuent d’observer les cellules au microscope. ➔ Comment le développement de la microscopie a-t-il permis d'explorer la diversité des cellules et ainsi d’améliorer nos connaissances sur les cellules ?

1/ Différents types de microscopea) A l’aide des ressources proposées, complétez le tableau (document 3 du livret de cours) afin de comparer les différents types de microscopes.b) Associez les « observations » microscopiques au type de microscope dans le learning app (ressource 3).

Ressource 1 : Méthodes d'étude de la cellule

Ressource 2 : Une histoire de microscope

Ressource 3 : Learning app "Quel microscope ?"

2/ Utiliser un microscope optique/photonique, observer et comparer des cellulesa) Rappels : Légendez les schémas de cellules (learning app).
 b) A l'aide de l'ensemble des ressources, complétez le tableau des caractéristiques des cellules des 4 grands groupes d’êtres vivants (pour la bactérie et la levure utilisez les électronographies de la ressource 2).
 Pour la cellule animale et végétale, observez-les au microscope et déterminez leur taille à l’aide de l’oculaire micrométrique. c) Indiquez vos mesures sur le document "L'échelle du vivant".

Ressource 1 : La cellule, unité du vivant

Ressource 2 : Electronographie de deux unicellulaires

Matériel à disposition : - Microscope + fiche technique - Oculaire micrométrique + fiche technique - Lame de cellules buccales humaines - Lame de grains de pollen

3/ Etudier des électronographies (clichés obtenus au microscope électronique)a) A l'aide du document "La structure des cellules", déterminez la taille réelle des organites suivants : noyau, mitochondrie. Vous détaillerez votre méthode de calcul.
 b) Indiquez vos mesures sur le document "L'échelle du vivant".

Ressource 1 : La cellule, unité du vivant

Ressource 2 : Electronographie de deux unicellulaires

4/ Modéliser les moléculesLe développement de la biochimie et de la biologie moléculaire associé aux progrès techniques permettent de modéliser les molécules.
 A l’aide du logiciel Libmol, visualisez les molécules suivantes : ADN (choisir ADN 14 paires de base), cholestérol.
 a) Indiquez leur composition chimique. b) Mesurez leur largeur (onglet "Mesure" en haut à droite) c) Indiquez vos mesures sur le document "L'échelle du vivant".

Logiciel de modélisation molécule Libmol

BILAN : Réalisez un schéma de cellule eucaryote et de cellule procaryote.
 Aide : Utilisez un code couleur pertinent. Prenez la feuille en format paysage, mettez les légendes communes au centre et sur les côtés les légendes spécifiques. Les traits de légende sont tracés à la règle, horizontaux et alignent la légende verticalement. Indiquez par une barre d’échelle la taille des cellules représentées.

Activité 3 : la structure de la membrane plasmique

Si la théorie cellulaire est aujourd’hui universellement admise et la définition de cellule est enseignée depuis le collège, la compréhension de son organisation interne et de son fonctionnement reste un des enjeux actuels de la recherche. L’avènement du microscope électronique a permis de mieux comprendre certaines structures en commençant pas la membrane plasmique. Si au départ, elle n’apparaissait que comme une simple limite, elle est en réalité bien plus complexe qu’il n’y parait. ➔ Comment s’est construit le modèle de la menbrane plasmique et quelles sont les recherches actuelles qui vise à établir un modèle plus réaliste des membranes cellulaires ?

Et avant ?

Modèle d’Overton (1899)Cherchant des substances capables d’être absorbées par les cellules des plantes, Overton découvre que les substances liposolubles (molécules solubles dans les lipides) passent rapidement à travers la membrane. Il en déduit que la membrane plasmique est constituée de lipides à travers lesquels les substances liposolubles ont pu passer. Plus précisement ces lipides sont des phospholipides.

1/ Définissez les termes suivants : amphiphile, hydrophile, hydrophobe, milieu aqueux.2/ Sur le document 8 du livret de cours, réalisez un schéma simplifié d'un phospholide en précisant quelle partie (tête ou queue) est hydrophile ou hydrophobe. Pensez à mettre un titre à votre schéma. Code couleur : parties hydrophiles en bleu, parties hydrophobes en rouge.

Document 1 : Les phospholipides

Les lipides sont une famille de molécules très diversifiées, on trouve notamment les graisses, les vitamines. La membrane plasmique est constituée notamment de phospholipides. Cliquez pour plus d'infos.

Modèle de Gorter et Grendel (1925)En 1925, les biologistes Gorter et Grendel extraient les lipides de fantômes d’hématies de différentes espèces et les déposent dans une cuve remplie d’eau. Les lipides s’étalent sur l’eau et la surface qu’ils occupent est calculée.

3/ Rappelez en justifiant quel type de microscope permet d’obtenir le cliché des hématies (document 2).4/ Etudiez l'expérience de Gorter et Grendel en adoptant une démarche scientifique afin de déterminer comment sont organisés les lipides de la membrane plasmique. Complétez le document 8 du libret de cours en réalisant un schéma du modèle de la membrane plasmique. 5/ Suivez le protocole à disposition afin de mettre en évidence le caractère amphiphile des phospholipides. ==> Réalisez le QCM pronote évalué.

Matériel à disposition : - Bécher ou tube à essai - Huile - Eau (milieu aqueux) - Eau salée bleue (milieur aqueux) - Pipette

Document 2 : Obtention de fantômes d'hématies

Les hématies sont des globules rouges.

Document 3 : Résultats de l'expérience de Gorter et Grendel

Modèles de Danielli et Davson et modèle de Robertson (1935-1970) Différentes observations ont conduit Danielli et Davson à proposer un nouveau modèle en 1935, dans lequel les protéines sont des parties intégrantes de la membrane plasmique. Chaque côté de la bicouche lipidique est recouvert de protéines globulaires. Ce modèle semble être confirmé par les premières images de microscopie électronique obtenues par Robertson en 1950 qui suggèrent la présence de structures globulaires, composées de protéines. Ces images montrent également que la membrane plasmique est asymétrique (les protéines ne sont pas les mêmes côté cytoplasme et côté extracellulaire) et que toutes les membranes des cellules ont la même organisation.

6/ Réalisez sur le document 8 un schéma du modèle de la membrane plasmique de Robertson ainsi qu'un court texte explicatif. Pensez à localiser le milieu extracellulaire et le cytoplasme et à respecter le code couleur.

Document 4 : Représentation simplifiée des phospholipides et des protéines de la membrane plasmique

Représentation simplifiée de trois protéines

Modèle de Singer et Nicolson (1972) : le modèle de la mosaïque fluide` En 1972, Singer et Nicolson ont proposé un modèle où en plus des protéines globulaires, des protéines sont insérées plus ou moins profondémentdans la bicouche lipidique. Les protéines peuvent donc être transmembranaires (à l'intérieur de la membrane) ou extra-membranaires. La membrane plasmique y est décrite comme une bicouche lipidique fluide dans laquelle flottent des protéines. Ce modèle prévaut encore actuellement.

Document 5 : Un exemple de protéine transmembranaire

7/ Observez les clichés obtenus (document 6) . Rappelez en justifiant avec quel type de microscope ils sont obtenus. Expliquez en quoi ces observations sont en accord avec le modèle de Singer et Nicolson.8/ Suivez le protocole sur Libmol puis réalisez sur le document 8 du livret de cours un schéma du modèle membranaire de Singer et Nicolson ainsi qu'un court texte explicatif (respecter le code couleur).

Document 6 : Cliché de cryofracture de la membrane plasmique

Protocole Libmol Etude de la membrane plasmique

Et depuis ? « Un grand défi de la biologie, que la physique devrait aider à relever, est d’établir et de comprendre les relations entre l'organisation des membranes et les fonctions biologiques qui y sont accomplies ».

9/ Montrez l’importance de la collaboration entre deux disciplines scientifiques, la physique et labiologie pour améliorer le modèle de la membrane plasmique. Complétez le document 8 du livret de cours.

Document 7 : L'importance de la collaboration entre les disciplines

Document 8 : Les marqueurs fluorescents

Rappel du problème de l'activité : Comment s’est construit le modèle de la membrane plasmique et quelles sont les recherches actuelles qui visent à établir un modèle plus réaliste des membranes cellulaires ?

BILAN - document 8 du livret de cours Afin de montrer comment s'est contruit le modèle de la membrane plasmique au cours du temps réalisez un schéma et un court texte pour chaque modèle en respectant le code couleur ci-dessous : - têtes hydrophiles des phospholipides en bleu - queues hydrophobes des phospholipides en rouge - protéines en noir, violet, orange, vert et ... Pour l'actuel, précisez comment on peut en apprendre davantage sur la structure et le fonctionnement de la membrane plasmique.

Activité 4 : La cellule, un milieu pas si clos

Depuis les premières observations des cellules, la compréhension des échanges cellulaire avec leur environnement est l’objet de nombreuses recherches. La membrane plasmique semblait d’abord isoler l’intérieur de la cellule de son environnement. ➔ Comment la membrane plasmique permet-elle des interactions entre la cellule et son environnement ?

La cellule échange avec son environnement pour fonctionner Pour fonctionner, une cellule a besoin d'énergie. Le glucose est une molécule riche en énergie.

1/ Comparez les résultats obtenus dans le document 1 et expliquez comment se fait le transport du glucose à travers la membrane plasmique.2/ A l’aide de votre réponse précédente, réalisez un schéma des échanges à travers la membrane plasmique permettant la formation d’énergie. 
Vous respecterez les critères de réussite du schéma : présence d’un titre, taille suffisante, soin, code couleur/forme, traits de légende horizontaux à la règle s’arrêtant au même niveau.
 Pour représenter les échanges aidez-vous du document 2. Code couleur : échange de dioxygène en rouge - échange de dioxyde de carbone en bleu échange de glucose en vert - production d'énergie utilisable par la cellule en jaune

Document 1 : Le transport du dioxygène, du dioxyde de carbone et du glucose

Document 2 : Différents mode de transport à travers la membrane plasmique

Des échanges à l'origine de dysfonctionnements cellulaires Pour fonctionner, la cellule échange des molécules avec son environnement mais dans certains cas ces molécules peuvent être néfastes.

3/ A l’aide du document 2 et 3, justifiez l’affirmation suivante : la membrane plasmique peut laisser passer des molécules responsables de dysfonctionnement cellulaire ayant des répercussions sur la santé des individus.

Document 3 : Une toxine responsable de paralysie

Document 4 : Le protoxyde d’azote, une molécule à usage détournée pour ses effets euphorisants

Rappel méthode : principe de l'expérience, observation(s), si besoin apport de connaissance(s) utile(s), déduction(s))

Aide pour l'observation : Comparez la surface totale de la membrane plasmique à la surface de la couche de lipides. Aide pour la déduction : Que peut-on en conclure sur l’organisation de la membrane plasmique : elles composée d'une couche de lipides, de deux couches ? trois couches ?

Modèle moléculaire d'un phospholide et interaction avec quelques molécules d'eau (à gauche) et representation simplifiée (à droite)

Les phospholipides sont des molécules amphiphiles : elles possèdent une partie hydrophile et une partie hydrophobe. La membrane plasmique est à l'interface entre deux milieux aqueux : le milieu intracellulaire (= à l'intérieur de la cellule, le cytoplasme) et le milieu extracellulaire (= à l'extérieur de la cellule).

L'idée de membrane cellulaire est pressentie dès 1855 par les botanistes suisses Karl Wilhelm von Nägeli (1817-1891) et Carl Eduard Cramer (1831-1901). Elle est alors pensée comme une sorte de barrière semi-perméable permet- tant à la cellule d'échanger des éléments avec son milieu. Jusqu'à ce que les microscopes permettent de différencier la membrane du bord du cytoplasme, la notion de membrane plasmique est restée hypothétique.

Les protéines transmembranaires sont des protéines enchassées dans la membrane plasmique. Par exemple, les aquaporines sont des canaux avec une partie hydrophobe (au contact de la partie hydrophobe des phospholipides) et une partie hydrophile au centre permettant le passage de 3 milliards de molécules d'eau par seconde. D'autres protéines transmembranaires permettant le passage de nutriments (ex. : canal à glucose) ou d'ions (ex. : canal à chlore) à travers la membrane. Chaque protéine membranaire joue donc un rôle spécifique.

Schéma d'une aquaporine, protéines transmembranaire permettant le passage de l'eau

- Cliquer pour ouvrir directement le fragment de membrane plasmique à étudier dans Libmol. - Mettre en évidence une protéine transmembranaire : "commandes" - "sélectionner" - "protéines" - "représenter" "ruban" - "colorer " - "palette" - choisir une couleur - Mettre en évidence un phospholipide : "séquence" - déselectionner en cliquant la protéine (PROA) - sélectionner le dernier phospholipide (POP124) -"commandes - "sphère" - Utiliser l'outil "Mesure" pour déterminer l'épaisseur de la membrane plasmique.

Document 3 : Une toxine responsable de paralysie

Observer spécifiquement une espèce moléculaire et ses partenaires dans des conditions physiologiques reste un des enjeux importants de la biologie et une belle question de physique. L’étude expérimentale de la membrane cellulaire requiert des méthodes devant être à la fois sensibles, peu invasives et spécifiques. Les développements actuels en physique vont permettre une meilleure compréhension de la structure dynamique des membranes cellulaires.

Un exemple : la microscopie à fluorescence

Exemples de recherches actuelles

Expérience d'immunofluorescence : principe de l'expérience (à gauche) et résultats (à droite)

Pour comprendre l'expérience : - expliquer où doit se trouver la zone de la protéine reconnue par le marqueur fluorescent pour que l'expérience fonctionne. - schématiser la cellule au bout de 40 min. - "La membrane plasmique est fluide". Justifier cette affirmation à l'aide des résultats de l'expérience.

Observation de la surface d'une cellule (on observe donc la face extracellulaire de la membrane plasmique)

Document 1 : Le transport du dioxygène, du dioxyde de carbone et du glucose

Des "fantômes" d’hématies sont obtenus en plaçant les globules rouges dans de l'eau distillée. Après avoir explosé, une centrifugation est réalisée, permettant de recueillir les hématies sans le contenu, ce qu’on appelle des fantômes. Il ne reste que la membrane plasmique. Gorter et Grendel travaillent sur des hématies car ces cellules sont dépourvues d'organites, et les lipides qu'ils obtiennent sont uniquement des lipides provenant de la membrane plasmique.

Document 4 : Le protoxyde d’azote, une molécule à usage détournée pour ses effets euphorisants

La cellule : unité du vivant Il existe deux types d’êtres-vivants : les Eucaryotes et les Procaryotes. Les organismes procaryotes (ex : bactéries) sont toujours unicellulaires, l’ADN est libre dans le cytoplasme. 
 La cellule des organismes eucaryotes (animaux, végétaux, champignons) se distingue de celle des organismes procaryotes par la présence de différents organites* spécialisés : le noyau (contenant l’information génétique de la cellule sous forme d’ADN) et d’autres organites comme la mitochondrie (siège de la respiration cellulaire), ou encore le chloroplaste (siège de la photosynthèse). On dit que la cellule est compartimentée. Il existe des eucaryotes unicellulaires et pluricellulaires. *Organite : structure spécialisée contenue dans le cytoplasme et délimitée par une ou plusieurs membranes. Il existe de nombreux organites (noyau, mitochondrie, chloroplaste, ribosome, vacuole, plaste, réticulum endoplasmique, …) qui assurent le fonctionnement de la cellule. Chaque cellule est spécialisée et possèdent donc des organites spécifiques (ex : les chloroplastes dans les cellules de feuille).

Document 2 : Différents mode de transport à travers la membrane plasmique

Milieu extracellulaire (aqueux)

Protéine transmembranaire (type canal)

Cytoplasme (aqueux)

- Mettre de l'eau dans un bécher ou un tube à essai (environ 3 cm de hauteur) - Rajouter doucement de l'huile (composée de lipides) (environ 1 cm de hauteur) - A l'aide de la pipette, déposer délicatement une goutte de la solution aqueuse bleue sur l'huile. Si la goutte éclate, déposer une autre goutte. - Noter vos observations. - Réaliser un schéma de vos observations en utilisant du jaune pour l'huile et du bleu pour le mélange aqueux. - Critiquer le modèle. Veiller aux critères de réussite du schéma (taille suffisante, soin, présence d'un titre, traits de légende horizontaux se terminant au même niveau, ...).

Cellules procaryotes Bactérie Pseudomonas observée au microscope électronique à transmission

Cellules eucaryotes - En haut : cellules buccales humaines colorées au bleu de méthylène observées au microscope optique (vous avez la taille dans votre tableau) - En bas : cellules de feuille d'Elodée observées au microscope optique (vous avez la taille dans votre tableau)

Remarque : - la paroi pectocellulosique et plus simplement appelée paroi végétale - le noyau contient l'ADN

La cellule : unité du vivant Il existe deux types d’êtres-vivants : les Eucaryotes et les Procaryotes. Les organismes procaryotes (ex : bactéries) sont toujours unicellulaires, l’ADN est libre dans le cytoplasme. 
 La cellule des organismes eucaryotes (animaux, végétaux, champignons) se distingue de celle des organismes procaryotes par la présence de différents organites* spécialisés : le noyau (contenant l’information génétique de la cellule sous forme d’ADN) et d’autres organites comme la mitochondrie (siège de la respiration cellulaire), ou encore le chloroplaste (siège de la photosynthèse). On dit que la cellule est compartimentée. Il existe des eucaryotes unicellulaires et pluricellulaires. *Organite : structure spécialisée contenue dans le cytoplasme et délimitée par une ou plusieurs membranes. Il existe de nombreux organites (noyau, mitochondrie, chloroplaste, ribosome, vacuole, plaste, réticulum endoplasmique, …) qui assurent le fonctionnement de la cellule. Chaque cellule est spécialisée et possèdent donc des organites spécifiques (ex : les chloroplastes dans les cellules de feuille).