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Structure et fonction cellulaires

AP Biologie · Sujet 2

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Structure et fonction cellulaires

Regardez une feuille sous un microscope. Vous voyez des rangées de boîtes vertes, et chaque boîte est remplie de minuscules disques verts. Maintenant regardez une fine tranche d'oignon. Briques soignées…

Narration en anglais · Sous-titres anglais + 中文 incrustés

2.1

Organelles et système endomembranaire

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Cellules de feuille d'Elodea remplies de chloroplastes verts (micrographie optique)
Cellules de feuille d'Elodea remplies de chloroplastes verts (micrographie optique)
Cellules d'épiderme d'oignon sous un microscope optique — les parois cellulaires et les noyaux clairement visibles
Cellules d'épiderme d'oignon au microscope optique — parois cellulaires et noyaux clairement visibles

Une cellule eucaryote divise ses tâches parmi des organelles 细胞器. Le système endomembranaire 内膜系统 est un ensemble connecté qui fabrique, modifie et expédie des molécules : le noyau 细胞核 (contient l'ADN), le réticulum endoplasmique rugueux et lisse (synthèse de protéines et de lipides), l'appareil de Golgi 高尔基体 (modifie et empaquette), les lysosomes 溶酶体 (digestion) et les vésicules qui transportent le matériel entre eux. Les mitochondries 线粒体 (respiration) et les chloroplastes 叶绿体 (photosynthèse) possèdent leurs propres membranes.

Une cellule végétale possède également une paroi cellulaire, une grande vacuole et des chloroplastes
Une cellule végétale possède également une paroi cellulaire, une grande vacuole et des chloroplastes
Une cellule animale généralisée et ses organites
Une cellule animale généralisée et ses organites

Ce que fait réellement chaque organelle

L'examen vous demande de nommer une structure et de dire ce qu'elle fait, apprenez-les donc par paires.

Les ribosomes 核糖体 sont constitués d'ARN ribosomique 核糖体核糖核酸 (ARNr) et de protéines. Ils n'ont pas de membrane et se trouvent dans chaque forme de vie – bactéries, archées et eucaryotes confondus. Cette présence commune est une preuve d'ancêtre commun : une structure aussi centrale était déjà présente chez l'ancêtre commun de tous les êtres vivants. Un ribosome lit l'ARN messager 信使核糖核酸 (ARNm) et synthétise la protéine qu'il code. Les ribosomes libres produisent des protéines destinées à être utilisées à l'intérieur de la cellule ; les ribosomes liés au réticulum endoplasmique rugueux produisent des protéines destinées à l'exportation ou à la membrane.

Le complexe de Golgi 高尔基复合te est une série de sacs aplatis limités par une membrane. Une protéine provenant du réticulum endoplasmique y passe et trois choses lui arrivent :

  • elle se replie correctement et subit une modification chimique – le plus souvent par glycosylation 糖基化, l'attachement de courtes chaînes de sucres ;
  • elle est triée et ciblée, de sorte que l'étiquette de sucre ou de phosphate modifiée décide vers quel compartiment la protéine sera envoyée ;
  • elle est emballée dans une vésicule pour le transport.

Ainsi, le Golgi n'est pas un lieu de stockage : c'est le département final et d'expédition de la cellule, et ses modifications déterminent ce qu'une protéine fait et où elle aboutit.

Les lysosomes sont des sacs limités par une membrane contenant des enzymes hydrolytiques 水解酶 qui digèrent le matériel – organites usés, bactéries phagocytées et particules alimentaires absorbées par la cellule. Leurs enzymes fonctionnent mieux à un pH bas, que le lysosome maintient à l'intérieur ; les maintenir confinés protège le reste de la cellule. Les lysosomes participent également à l'apoptose 细胞凋亡, mort cellulaire programmée, dans laquelle une cellule est démantelée délibérément, par exemple pour sculpter les doigts à partir d'une main embryonnaire palmée.

Les vacuoles 液泡 sont des sacs limités par une membrane avec de nombreux rôles différents : stocker l'eau, les ions, les nutriments ou les déchets, et dans une cellule végétale, la grande vacuole centrale exerce également une pression vers l'extérieur sur la paroi cellulaire pour maintenir la rigidité de la cellule.

Les mitochondries et les chloroplastes possèdent chacun une double membrane et leur propre ADN circulaire et ribosomes – la preuve de la théorie endosymbiotique ci-dessous.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
organelles/ˌɔːɡəˈnelz/ 细胞器 xì bāo qì
endomembrane system/ˈendəʊmembreɪn ˈsɪstəm/ 内膜系统 nèi mó xì tǒng
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 细胞核 xì bāo hé
endoplasmic reticulum/ˌendəʊˈplæzmɪk reˈtɪkjʊləm/ 内质网 nèi zhì wǎng
Golgi/ˈɡɒlɡɪ/ 高尔基体 gāo ěr jī tǐ
lysosomes/ˈlaɪsəsəʊmz/ 溶酶体 róng méi tǐ
Mitochondria/ˌmaɪtəˈkɒndrɪə/ 线粒体 xiàn lì tǐ
chloroplasts/ˈklɔːrəʊplæsts/ 叶绿体 yè lǜ tǐ
Ribosomes/ˈrɪbəsəʊmz/ 核糖体 hé táng tǐ
ribosomal RNA/ˈrɪbəsɒml ˌɑː en ˈeɪ/ 核糖体核糖核酸 hé táng tǐ hé táng hé suān
messenger RNA/ˈmesɪndʒə ˌɑː en ˈeɪ/ 信使核糖核酸 xìn shǐ hé táng hé suān
The Golgi complex/ðə ˈɡɒlɡɪ ˈkɒmpleks/ 高尔基复合体 gāo ěr jī fù hé tǐ
glycosylation/ˌɡlaɪkəsɪˈleɪʃn/ 糖基化 táng jī huà
hydrolytic enzymes/ˌhaɪdrəˈlɪtɪk ˈenzaɪmz/ 水解酶 shuǐ jiě méi
apoptosis/əpəpˈtəʊsɪs/ 细胞凋亡 xì bāo diāo wáng
Vacuoles/ˈvækjuːəʊlz/ 液泡 yè pào
surface-area-to-volume ratio/ˈsɜːfɪs ˈeərɪə tə ˈvɒljuːm ˈreɪʃɪəʊ/ 表面积与体积比 biǎo miàn jī yǔ tǐ jī bǐ
phospholipid bilayer/ˈfɒsfəlɪpɪd ˈbɪleɪə/ 磷脂双分子层 lín zhī shuāng fèn zǐ céng
fluid mosaic model/ˈfluːɪd məˈseɪɪk ˈmɒdl/ 流动镶嵌模型 liú dòng xiāng qiàn mó xíng
selectively permeable/sɪˈlektɪvli ˈpɜːməbl/ 选择透过性 xuǎn zé tòu guò xìng
Passive transport/ˈpæsɪv ˈtrænspɔːt/ 被动运输 bèi dòng yùn shū
2.2

Pourquoi les cellules restent petites

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Micrographie électronique à balayage de globules rouges — pas de noyau, grande surface spécifique pour les échanges gazeux
Micrographie électronique à balayage de globules rouges – sans noyau, grande surface pour les échanges gazeux

Les cellules restent petites en raison du rapport surface/volume 表面积与体积比. Lorsqu'une cellule grandit, son volume augmente plus vite que sa surface, de sorte que sa membrane ne peut pas échanger de matériaux assez rapidement pour le contenu interne. Rester petite (ou être plate ou plissée) conserve assez de surface pour servir le volume.

Le rapport surface-sur-volume diminue à mesure qu'une cellule grossit
Le rapport surface/volume diminue lorsque la cellule devient plus grande

Exercice résolu. Une cellule cubique de côté $2\ \mu\text{m}$ a une aire de surface $6\times2^2=24\ \mu\text{m}^2$ et un volume $2^3=8\ \mu\text{m}^3$, donc son rapport surface/volume est $\tfrac{24}{8}=3$. Doubler le côté à $4\ \mu\text{m}$ : aire de surface $=6\times4^2=96$, volume $=4^3=64$, rapport $=\tfrac{96}{64}=1.5$. Le doublement de la taille a divisé par deux le rapport – la cellule plus grande a beaucoup moins de membrane par unité de volume intérieur, ce qui explique pourquoi les cellules restent petites.

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Voir la surface par rapport au volume alors qu'un cube grandit

Alors qu'une cellule grandit, le volume augmente plus rapidement que la surface, donc le rapport surface/volume diminue. Une petite cellule conserve suffisamment de membrane pour échanger des matériaux assez rapidement.

2.3

Le modèle mosaïque fluide de la membrane

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La membrane cellulaire est une bicouche phospholipidique 磷脂双分子层 – les têtes polaires faisant face à l'eau, les queues apolaires à l'intérieur – parsemée de protéines. Le modèle du mosaïque fluide 流动镶嵌模型 l'illustre comme une feuille fluide dans laquelle lipides et protéines dérivent. Le cholestérol et le degré d'insaturation régulent sa fluidité.

Le modèle du mosaïque fluide de la membrane cellulaire
Le modèle du mosaïque fluide de la membrane cellulaire
2.4

Ce qui peut traverser la membrane

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La membrane est sélectivement perméable 选择透过性. Les petites molécules apolaires ($\text{O}_2$, $\text{CO}_2$) et l'eau traversent facilement ; les grosses particules ou chargées/polaires (ions, glucose) ne peuvent franchir le cœur apolaire sans aide. Cette sélectivité permet à la cellule de contrôler son environnement interne.

Trois façons dont les substances traversent la membrane
Trois façons dont les substances traversent la membrane
2.5

Transport passif et actif

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

  • Le transport passif 被动运输 déplace les substances le long de leur gradient de concentration (haut → bas) sans énergie – diffusion 扩散.
  • Le transport actif 主动运输 déplace les substances contre le gradient (bas → haut), nécessitant de l'énergie (ATP), via des pompes protéiques comme la pompe sodium-potassium.
Le transport actif déplace les particules contre le gradient, en utilisant l'ATP et une protéine porteuse
Le transport actif déplace les particules contre le gradient, en utilisant l'ATP et une protéine porteuse
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Pomper un soluté contre son gradient

Le transport passif déplace les solutés selon leur gradient gratuitement ; le transport actif utilise l'ATP pour les pomper dans l'autre sens, de faible à forte concentration.

Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
diffusion/dɪˈfjuːʒn/ 扩散 kuò sàn
Active transport/ˈæktɪv ˈtrænspɔːt/ 主动运输 zhǔ dòng yùn shū
Facilitated diffusion/fəˈsɪlɪteɪtɪd dɪˈfjuːʒn/ 易化扩散 yì huà kuò sàn
carrier/ˈkærɪə/ 载体 zài tǐ
Osmosis/ɒzˈməʊsɪs/ 渗透 shèn tòu
Tonicity/təˈnɪsɪti/ 张力 zhāng lì
hypotonic/ˌhaɪpəʊˈtɒnɪk/ 低渗 dī shèn
hypertonic/ˌhaɪpəˈtɒnɪk/ 高渗 gāo shèn
2.6

Diffusion facilitée

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La diffusion facilitée 易化扩散 est un transport passif à travers une protéine membranaire – un canal ou un porteur 载体 – pour les particules qui ne peuvent traverser seules par le lipid. Elle suit toujours le gradient et ne nécessite pas d'énergie, mais sa vitesse peut saturer lorsque toutes les protéines sont occupées.

Diffusion : les particules s'étalent d'une concentration plus élevée vers une concentration plus faible, le long du gradient
Diffusion : les particules s'étalent d'une concentration plus élevée vers une concentration plus faible, le long du gradient
2.7

Tonicité, potentiel hydrique et osmorégulation

Programme

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)

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Cellules d'oignon rouge en solution hypertonique : la membrane se détache de la paroi (plasmolyse)
Cellules d'oignon rouge en solution hypertonique : la membrane se détache de la paroi (plasmolyse)

L'osmose 渗透 est la diffusion de l'eau à travers une membrane. La tonicité 张力 compare les concentrations de solutés : dans une solution hypotonique 低渗, une cellule gagne de l'eau (peut éclater) ; dans une solution hypertoniq ue 高渗, elle perd de l'eau (se rétracte) ; dans une solution isotoniqe 等渗, il n'y a pas de changement net. Le potentiel hydrique 水势 prédit la direction du mouvement de l'eau (l'eau se déplace vers un potentiel hydrique plus faible), et est la somme d'un terme de pression et d'un terme de soluté : $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$, où le potentiel du soluté $\Psi_s=-iCRT$. L'osmorégulation 渗透调节 est la façon dont les organismes contrôlent cet équilibre.

Réponse des cellules végétales et animales à des solutions de potentiel hydrique différent
Réponse des cellules végétales et animales à des solutions de potentiel hydrique différent

Exemple résolu. Pour une solution de $0.1\,\text{M}$ saccharose ($i=1$) dans un bécher ouvert (donc potentiel de pression $\Psi_p=0$) à $25\,°\text{C}$ ($T=298\,\text{K}$, $R=0.0831\ \text{L}\cdot\text{bar/mol}\cdot\text{K}$) : $\Psi_s=-iCRT=-(1)(0.1)(0.0831)(298)\approx-2.48\ \text{bar}$, donc $\Psi\approx-2.48\ \text{bar}$. Une cellule végétale dont l'intérieur est $\Psi=-1.0\ \text{bar}$ se trouve dans cette solution : puisque la solution est plus négative, l'eau sort de la cellule vers la solution, et la cellule perd sa turgescence.

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Observer le mouvement de l'eau par osmose

L'eau traverse la membrane du haut potentiel hydrique vers le bas, vers le côté plus concentré (hypertonique). Réglez les concentrations et observez dans quel sens la cellule gonfle ou rétrécit.

2.8

Mécanismes du transport membranaire

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Les gros matériaux se déplacent en vrac par vésicules : l'endocytose 内吞 fait entrer le matériel (la membrane l'enveloppe), et l'exocytose 外排 expulse le matériel (une vésicule fusionne avec la membrane). Tous deux nécessitent de l'énergie et permettent aux cellules d'importer et de sécréter de grandes molécules.

L'endocytose introduit la matière à l'intérieur ; l'exocytose la libère à l'extérieur
L'endocytose fait entrer du matériel ; l'exocytose le libère à l'extérieur
Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
exocytosis/eɡˌzɒsɪˈtəʊsɪs/ 外排 wài pái
compartments/kəmˈpɑːtmənts/ 区室 qū shì
endosymbiotic theory/ˌendəʊˌsɪmbaɪˈɒtɪk ˈθɪəri/ 内共生学说 nèi gòng shēng xué shuō
ribosomal RNA (rRNA)/ˈrɪbəsɒml ˌɑː en ˈeɪ/ 核糖体 hé táng tǐ
2.9

Compartimentation à l'intérieur de la cellule

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

Les membranes créent des compartiments 区室 séparés afin que des réactions incompatibles puissent avoir lieu simultanément et que les conditions (pH, taux d'ions) puissent être ajustées localement. Cette organisation augmente l'efficacité – les membranes internes ajoutent également de la surface pour les réactions.

2.10

Origines de la compartimentation cellulaire

Programme

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.

Source : Description du cours et de l'examen AP College Board

La théorie endosymbiotique 内共生学说 explique les mitochondries et les chloroplastes : ils sont apparus lorsqu'une cellule plus grande a englobé des procaryotes libres qui y ont ensuite vécu. Les preuves – leur propre ADN circulaire, leurs propres ribosomes et leurs doubles membranes – soutiennent cette origine évolutive commune.

2.10

Conseils d'examen

  • Utilisez les deux compétences de formule AP : rapport surface/volume (pourquoi les cellules restent petites) et potentiel hydrique $\Psi=\Psi_p+\Psi_s$ ($\Psi_s=-iCRT$).
  • L'eau se déplace vers le potentiel hydrique plus bas (plus négatif) ; prévoyez le gonflement ou la rétraction selon la tonicité (hypo/hyper/isotonic).
  • Le transport passif et l'osmose ne nécessitent pas d'énergie (le long du gradient) ; le transport actif nécessite de l'ATP (contre le gradient).
  • Distinguez la diffusion, la diffusion facilitée (via une protéine canal/porteuse) et le transport actif.
  • Expliquez la sélectivité membranaire à partir de la bicouche phospholipidique – les petites molécules apolaires traversent, les grosses/chargées ont besoin d'aide.
Vocabulaire Entrainer
Anglais Chinois Pinyin
isotonic/ˌaɪsəˈtɒnɪk/ 等渗 děng shèn
Water potential/ˈwɔːtə pəˈtenʃl/ 水势 shuǐ shì
Osmoregulation/ˌɒzmɔːɡjʊˈleɪʃn/ 渗透调节 shèn tòu tiáo jié
endocytosis/ˌendəʊsɪˈtəʊsɪs/ 内吞 nèi tūn

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