Structure et fonction cellulaires

Grande Idée 4 — Interactions des Systèmes (SYI) : Les systèmes biologiques interagissent, et ces systèmes et leurs interactions présentent des propriétés complexes.

Objectif d'apprentissage 2.1.A : Expliquer comment la structure et la fonction des composants subcellulaires et des organites contribuent à la fonction des cellules.

• 2.1.A.1 Les ribosomes sont constitués d'ARN ribosomaux (ARNr) et de protéines. Ces structures subcellulaires sans membrane se trouvent dans les cellules de toutes les formes de vie et reflètent l'ancêtre commun de toute vie connue. Les ribosomes synthétisent des protéines selon des séquences d'ARN messager (ARNm).
• 2.1.A.2 Le système endomembranaire consiste en un groupe d'organites et de composants subcellulaires limités par une membrane (réticulum endoplasmique (RE), complexe de Golgi, lysosomes, vacuoles et vésicules de transport, enveloppe nucléaire et membrane plasmique) qui travaillent ensemble pour modifier, empaqueter et transporter intercellulairement des polysaccharides, des lipides et des protéines.
• 2.1.A.3 Le réticulum endoplasmique fournit un soutien mécanique en aidant les cellules à maintenir leur forme et joue un rôle dans le transport intracellulaire.
  • i. Le RE rugueux est associé aux ribosomes liés à la membrane, permet la compartimentation des cellules et aide à effectuer la synthèse des protéines.
  • ii. Les fonctions du RE lisse incluent la détoxification des cellules et la synthèse des lipides.
  • Énoncé d'exclusion : La connaissance des fonctions spécifiques du RE lisse dans les cellules spécialisées dépasse le cadre de l'examen AP.
• 2.1.A.4 Le complexe de Golgi est une structure limitée par une membrane composée d'une série de sacs membranaires aplatis. Les fonctions du complexe de Golgi incluent :
  • i. Le repliement correct et la modification chimique des produits cellulaires nouvellement synthétisés
  • ii. L'empaquetage des protéines pour le trafic
  • Énoncé d'exclusion : La connaissance du rôle du complexe de Golgi dans la synthèse de phospholipides spécifiques et l'empaquetage d'enzymes spécifiques pour les lysosomes, les peroxysomes et les vésicules sécrétoires dépasse le cadre de l'examen AP.
  • Exemples illustratifs pour 2.1.A.4 :
    • Glycosylation et autres modifications chimiques des protéines qui se produisent dans le Golgi et déterminent la fonction ou le ciblage des protéines
• 2.1.A.5 Les mitochondries possèdent une double membrane qui fournit des compartiments pour différentes réactions métaboliques impliquées dans la respiration cellulaire aérobie. La membrane externe est lisse, tandis que la membrane interne est fortement repliée, formant des crêtes qui permettent une synthèse d'ATP plus efficace.
• 2.1.A.6 Les lysosomes sont des vésicules entourées de membranes contenant des enzymes hydrolytiques qui digèrent les matériaux. Les lysosomes jouent également un rôle dans la mort cellulaire programmée (apoptose).
• 2.1.A.7 Les vacuoles sont des sacs limités par des membranes qui jouent de nombreux rôles différents.
  • i. Dans les cellules végétales, une grande vacuole spécialisée maintient la pression de turgescence par le stockage de nutriments et d'eau.
  • ii. Dans les cellules animales, les vacuoles sont plus petites, plus nombreuses que dans les cellules végétales, et stockent des matériaux cellulaires.
• 2.1.A.8 Les chloroplastes sont des organites spécialisés trouvés chez les plantes et les algues photosynthétiques. Les chloroplastes contiennent une double membrane et servent de lieu à la photosynthèse.

Grande Idée 2 — Énergétique (ENE) : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 2.2.A : Expliquer l'effet des rapports surface/volume sur l'échange de matières entre les cellules ou organismes et l'environnement.

• 2.2.A.1 Les rapports surface/volume affectent la capacité d'un système biologique à obtenir des nutriments nécessaires, éliminer les déchets, acquérir ou dissiper l'énergie thermique, et autrement échanger des substances chimiques et de l'énergie avec l'environnement.
  • Équations pertinentes :
    • Volume d'une sphère : $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
    • Volume d'un cube : $V = s^3$
    • Volume d'un parallélépipède rectangle : $V = lwh$
    • Volume d'un cylindre : $V = \pi r^2 h$
    • Aire de surface d'une sphère : $SA = 4\pi r^2$
    • Aire de surface d'un cube : $SA = 6s^2$
    • Aire de surface d'un parallélépipède rectangle : $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
    • Aire de surface d'un cylindre : $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
    • $r$ = rayon
    • $l$ = longueur
    • $h$ = hauteur
    • $w$ = largeur
    • $s$ = longueur d'un côté d'un cube
  • Exemples illustratifs pour 2.2.A.1 :
    • Rapports SA/V et échanges
      • Poils absorbants
      • Cellules gardiennes
      • Cellules épithéliales intestinales
    • Cils
    • Stomates
• 2.2.A.2 L'aire de surface de la membrane plasmique doit être suffisamment grande pour échanger adéquatement les matières.
  • i. Le rapport surface/volume peut restreindre la taille et la forme des cellules. Les petites cellules ont généralement un rapport surface/volume plus élevé ainsi qu'un échange de matières plus efficace avec l'environnement que les grandes cellules.
  • ii. À mesure que les cellules augmentent en volume, le rapport surface/volume diminue et la demande en ressources internes augmente.
  • iii. Des structures cellulaires plus complexes (par ex., replis membranaires) sont nécessaires pour échanger adéquatement les matières avec l'environnement.
  • iv. À mesure que les organismes augmentent en taille, leur rapport surface/volume diminue, affectant des propriétés comme le taux d'échange de chaleur avec l'environnement. De plus petites quantités de masse échangent proportionnellement plus de chaleur avec l'environnement ambiant que de plus grandes masses. À mesure que la masse augmente, le rapport surface/volume et le taux d'échange de chaleur diminuent.
  • v. Il existe une relation entre le taux métabolique par unité de masse corporelle et la taille des organismes multicellulaires ; généralement, plus l'organisme est petit, plus son taux métabolique par unité de masse corporelle est élevé.

Grande Idée 2 — Énergétique (ENE) : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 2.3.A : Décrire les rôles de chacun des composants de la membrane cellulaire dans le maintien de l'environnement interne de la cellule.

• 2.3.A.1 Les phospholipides possèdent des régions hydrophiles et hydrophobes. Les régions polaires hydrophiles phosphate des phospholipides sont orientées vers l'environnement aqueux externe ou interne, tandis que les régions non polaires hydrophobes acides gras font face les unes aux autres à l'intérieur de la membrane.
• 2.3.A.2 Les protéines intégrées peuvent être hydrophiles (avec des groupes latéraux chargés et polaires), hydrophobes (avec des groupes latéraux non polaires) ou les deux.
  • i. Les régions hydrophiles des protéines sont soit à l'intérieur de la structure de la protéine, soit exposées au cytosol (cytoplasme).
  • ii. Les régions hydrophobes des protéines constituent la surface de la protéine qui interagit avec les acides gras dans l'intérieur de la membrane.

Objectif d'apprentissage 2.3.B : Décrire le modèle fluide-mosaïque des membranes cellulaires.

• 2.3.B.1 Les membranes plasmiques consistent en un cadre structural de molécules de phospholipides intégrées de protéines, de stéroïdes (tels que le cholestérol chez les vertébrés), de glycoprotéines et de glycolipides. Tous ces éléments peuvent se déplacer autour de la surface de la cellule au sein de la membrane, comme l'illustre le modèle fluide-mosaïque.

Grande Idée 2 — Énergétique (ENE) : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 2.4.A : Expliquer comment la structure des membranes biologiques influence la perméabilité sélective.

• 2.4.A.1 Les membranes plasmiques séparent l'environnement interne de la cellule de l'environnement externe. La perméabilité sélective est le résultat du fait que la membrane plasmique possède un intérieur hydrophobe.
• 2.4.A.2 Les petites molécules non polaires, y compris $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$ et $\mathrm{CO_2}$, traversent librement la membrane. Les substances hydrophiles, telles que les grandes molécules polaires et les ions, traversent la membrane par le biais de canaux intégrés et de protéines de transport.
• 2.4.A.3 Les queues d'hydrocarbures non polaires des phospholipides empêchent le mouvement des ions et des molécules polaires à travers la membrane. Les petites molécules polaires sans charge, comme $\mathrm{H_2O}$ ou $\mathrm{NH_3}$ (ammoniac), traversent la membrane en faibles quantités.

Objectif d'apprentissage 2.4.B : Décrire le rôle de la paroi cellulaire dans le maintien de la structure et de la fonction cellulaires.

• 2.4.B.1 Les parois cellulaires des Bactéries, Archaea, champignons et plantes fournissent une limite structurale ainsi qu'une barrière de perméabilité pour certaines substances vers les environnements cellulaires internes ou externes et protègent contre la lyse osmotique.

Grande Idée 2 — Énergétique (ENE) : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 2.5.A : Décrire les mécanismes que les organismes utilisent pour maintenir l'équilibre des solutés et de l'eau.

• 2.5.A.1 La perméabilité sélective des membranes permet la formation de gradients de concentration de solutés à travers la membrane.
• 2.5.A.2 Le transport passif est le mouvement net des molécules de régions de haute concentration vers des régions de basse concentration sans apport direct d'énergie métabolique.
• 2.5.A.3 Le transport actif nécessite un apport direct d'énergie pour déplacer des molécules. Dans certains cas, le transport actif est utilisé pour déplacer des molécules de régions de faible concentration vers des régions de haute concentration.

Objectif d'apprentissage 2.5.B : Décrire les mécanismes que les organismes utilisent pour transporter de grosses molécules à travers la membrane plasmique.

• 2.5.B.1 Les processus d'endocytose et d'exocytose nécessitent de l'énergie pour déplacer de grosses substances ou de grandes quantités de substances dans et hors des cellules.
  • i. En endocytose, la cellule absorbe de grosses molécules et de la matière particulaire en repliant la membrane plasmique sur elle-même et en formant de nouvelles (petites) vésicules qui englobent la matière provenant de l'environnement externe.
  • ii. En exocytose, des vésicules internes libèrent de la matière hors des cellules en fusionnant avec la membrane plasmique et en sécrétant de grosses molécules hors de la cellule.

Grande Idée 2 — Énergétique (ENE) : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 2.6.A : Expliquer comment la structure d'une molécule affecte sa capacité à traverser la membrane plasmique.

• 2.6.A.1 La diffusion facilitée nécessite des protéines de transport ou de canaux pour permettre le mouvement des ions chargés à travers la membrane.
  • i. Les membranes peuvent devenir polarisées par le mouvement des ions à travers la membrane.
  • ii. Les ions chargés, y compris $\mathrm{Na^+}$ (sodium) et $\mathrm{K^+}$ (potassium), nécessitent des protéines de canaux pour traverser la membrane.
• 2.6.A.2 La diffusion facilitée permet le mouvement de grosses molécules polaires à travers les membranes sans apport d'énergie. Dans ce type de diffusion, les substances se déplacent selon le gradient de concentration.
• 2.6.A.3 Les aquaporines transportent de grandes quantités d'eau à travers les membranes.

Grande Idée 2 — Énergétique (ENE) : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 2.7.A : Expliquer comment les gradients de concentration affectent le mouvement des molécules à travers les membranes.

• 2.7.A.1 Les environnements externes peuvent être hypotoniques, hypertoniques ou isotoniq ues par rapport aux environnements internes des cellules. Le mouvement de l'eau peut aussi être décrit comme se déplaçant de régions hypotoniques vers des régions hypertoniques. L'eau se déplace par osmose des régions de haut potentiel hydrique vers des régions de bas potentiel hydrique.
  • Équation (Potentiel Hydrique) : $\psi = \psi_p + \psi_s$
    • où :
    • $\psi_p$ = potentiel de pression
    • $\psi_s$ = potentiel de soluté
  • Exemples illustratifs pour 2.7.A.1 :
    • Vacuole contractile chez les protistes
    • Vacuole centrale chez les cellules végétales

Objectif d'apprentissage 2.7.B : Expliquer comment les mécanismes d'osmorégulation contribuent à la santé et à la survie des organismes.

• 2.7.B.1 La croissance et l'homéostasie sont maintenues par le mouvement constant de molécules à travers les membranes.
• 2.7.B.2 L'osmorégulation maintient l'équilibre hydrique et permet aux organismes de contrôler leur composition interne en solutés et leur potentiel hydrique. L'eau se déplace des régions de faible osmolarité ou de faible concentration en solutés vers les régions de forte osmolarité ou de forte concentration en solutés.
  • Équation (Potentiel des solutés d'une solution) : $\psi_s = -iCRT$
    • où :
    • $i$ = constante d'ionisation
    • $C$ = concentration molaire
    • $R$ = constante de pression $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
    • $T$ = température en Kelvin (°C + 273)

Grande Idée 2 — Énergétique (ENE) : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 2.8.A : Décrire les processus qui permettent aux ions et autres molécules de traverser les membranes.

• 2.8.A.1 Une énergie métabolique (telle que celle provenant de l'ATP) est nécessaire au transport actif des molécules à travers la membrane et pour établir et maintenir les gradients électrochimiques.
  • i. Les protéines membranaires sont nécessaires au transport actif.
  • ii. La pompe $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ et l'ATPase contribuent au maintien du potentiel membranaire.

Grande Idée 2 — Énergétique (ENE) : Les systèmes biologiques utilisent l'énergie et les blocs de construction moléculaires pour croître, se reproduire et maintenir une homéostasie dynamique.

Objectif d'apprentissage 2.9.A : Décrire les structures limitées par une membrane de la cellule eucaryote.

• 2.9.A.1 Les membranes et les organites limités par une membrane dans les cellules eucaryotes compartimentent les processus métaboliques intracellulaires et les réactions enzymatiques spécifiques.

Objectif d'apprentissage 2.9.B : Expliquer comment les membranes internes et les organites limités par une membrane contribuent à la compartimentation des fonctions de la cellule eucaryote.

• 2.9.B.1 Les membranes internes facilitent les processus cellulaires en minimisant les interactions concurrentes et en augmentant la surface où les réactions peuvent avoir lieu.

Grande Idée 1 — Évolution (EVO) : Le processus d'évolution entraîne la diversité et l'unité du vivant.

Objectif d'apprentissage 2.10.A : Décrire les similitudes et/ou différences de compartimentation entre les cellules procaryotes et eucaryotes.

• 2.10.A.1 Les organites limités par des membranes, tels que les mitochondries et les chloroplastes, sont évolués à partir d'anciens procaryotes libres via l'endosymbiose.
• 2.10.A.2 Les procaryotes manquent généralement d'organites internes limités par des membranes mais possèdent des régions internes avec des structures et fonctions spécialisées.
• 2.10.A.3 Les cellules eucaryotes maintiennent des membranes internes qui partitionnent la cellule en régions spécialisées.