Niveau : du facile au difficile. Durée estimée : 60 min. 10 exercices avec corrections détaillées.
Rappel des notions clés
Pour reconnaître un compartiment sur une électronographie (image prise au microscope électronique), compte ses membranes, puis regarde ce qu'elles entourent. Deux membranes, l'interne repliée en crêtes : une mitochondrie. Deux membranes percées de pores autour de la chromatine (l'ADN et ses protéines) : le noyau. Des sacs aplatis couverts de ribosomes : le réticulum endoplasmique (RE) rugueux, ou RER, qui fabrique les protéines à sécréter ; sans ribosomes, le RE lisse (REL), qui fabrique les lipides, hormones stéroïdes comprises. Une bactérie n'a ni noyau ni organite à membrane : son ADN occupe une zone du cytoplasme, le nucléoïde.
Une protéine sécrétée passe du RER à l'appareil de Golgi (une pile de saccules aplatis), puis à une vésicule qui fusionne avec la membrane plasmique : c'est l'exocytose. Elle entre dans la lumière du RER, l'espace intérieur du compartiment, grâce à son peptide signal : une courte séquence au début de la chaîne (extrémité N-terminale), reconnue dès sa sortie du ribosome, puis le plus souvent coupée. Dans le Golgi, les hydrolases (enzymes de digestion) destinées aux lysosomes reçoivent une étiquette, le mannose-6-phosphate, qu'un récepteur reconnaît pour les y envoyer. Le lysosome est acide, à pH voisin de 5 contre 7,2 dans le cytosol (Kimball, Biology). Les vésicules se déplacent le long des microtubules, tirées par la kinésine vers l'extrémité plus, par la dynéine vers l'extrémité moins.
Formules à retenir :
- Taille réelle : $T_r = \dfrac{T_m}{G}$, avec $T_m$ la taille mesurée sur le cliché et $G$ le grossissement.
- Conversions : $1\ \text{mm} = 10^{3}\ \mu\text{m} = 10^{6}\ \text{nm}$.
- Acidité : $[\text{H}^+] = 10^{-\text{pH}}$, donc une unité de pH en moins multiplie $[\text{H}^+]$ par $10$.
Piège classique : la lumière du RE, du Golgi et des vésicules correspond à l'extérieur de la cellule. Ce qui est tourné vers la lumière finit, après l'exocytose, hors de la cellule ou sur la face externe de la membrane plasmique, jamais du côté du cytosol.
Exercices : niveau facile
Exercice 1 : Range ces six structures en trois groupes (seulement chez la bactérie Escherichia coli, seulement dans une cellule du foie, chez les deux) : noyau, nucléoïde, ribosomes, mitochondrie, membrane plasmique, réticulum endoplasmique. Puis explique en une phrase pourquoi la bactérie n'est pas compartimentée.
Correction :
Toute cellule a une membrane plasmique et des ribosomes ; seuls les eucaryotes ont des organites entourés d'une membrane.
Bactérie seule : nucléoïde. Cellule du foie seule : noyau, mitochondrie, réticulum endoplasmique. Les deux : membrane plasmique, ribosomes.
La bactérie n'a aucune membrane interne : son ADN et ses ribosomes partagent un seul espace, le cytoplasme.
Exercice 2 : Sur une électronographie de cellule du foie au grossissement $\times 25\,000$, une mitochondrie mesure $25\ \text{mm}$ sur $12{,}5\ \text{mm}$ (données fictives). Calcule ses dimensions réelles en micromètres, puis en nanomètres.
Correction :
On divise chaque mesure par le grossissement, puis on convertit : $\dfrac{25\ \text{mm}}{25\,000} = 10^{-3}\ \text{mm}$ et $\dfrac{12{,}5\ \text{mm}}{25\,000} = 5 \times 10^{-4}\ \text{mm}$.
La mitochondrie mesure $1\ \mu\text{m}$ sur $0{,}5\ \mu\text{m}$, soit $1\,000\ \text{nm}$ sur $500\ \text{nm}$.
Erreur à éviter : multiplier par le grossissement, ce qui donnerait une mitochondrie de $625\ \text{m}$ de long.
Exercice 3 : Sur une électronographie, tu repères quatre structures. A : deux membranes percées de pores, autour de la chromatine. B : des sacs aplatis couverts de grains côté cytosol. C : une pile de saccules aplatis sans grains, bordée de vésicules. D : deux membranes, l'interne repliée en crêtes. Nomme chaque structure et donne une de ses fonctions.
Correction :
On compte les membranes, puis on regarde ce qu'elles portent ou entourent.
A : noyau, B : RER, C : appareil de Golgi, D : mitochondrie.
Le noyau abrite l'ADN ; les ribosomes du RER, ces grains, fabriquent les protéines à sécréter ; le Golgi les modifie et les trie ; la mitochondrie produit l'ATP.
Exercices : niveau moyen
Exercice 4 : Une cellule du testicule sécrète la testostérone, une hormone stéroïde. Une cellule du pancréas sécrète des enzymes digestives, qui sont des protéines. Quel compartiment prévois-tu très développé dans chacune ? Justifie.
Correction :
On relie la nature chimique du produit au compartiment qui le fabrique. Un stéroïde est un lipide, fabriqué par le REL ; une enzyme digestive est une protéine de sécrétion, fabriquée sur le RER puis modifiée dans le Golgi.
Cellule du testicule : REL très développé. Cellule du pancréas : RER et Golgi très développés.
Erreur à éviter : croire que toute cellule sécrétrice est riche en RER ; tout dépend de ce qu'elle sécrète.
Exercice 5 : Des cellules du pancréas passent 3 min dans un milieu à leucine radioactive, puis dans un milieu à leucine normale. Part de la radioactivité (données fictives) : 85 % dans le RER à 3 min, 55 % dans le Golgi à 20 min, 75 % dans les vésicules de sécrétion à 2 h. Explique le rôle de chaque milieu, puis déduis le trajet des protéines.
Correction :
On suit un même lot de protéines dans le temps. La leucine radioactive, un acide aminé, ne marque que les protéines fabriquées pendant les 3 min ; la leucine normale arrête ce marquage, ce qui isole ce lot.
Les protéines vont du RER au Golgi, puis aux vésicules de sécrétion.
Exercice 6 : Une hydrolase de lysosome, testée en tube, garde 100 % de son activité à pH 5,0 mais 8 % à pH 7,2 (données fictives). a) Combien de fois la concentration en ions $\text{H}^+$ est-elle plus forte à pH 5,0 qu'à pH 7,2 ? b) Un lysosome se rompt dans le cytosol : explique pourquoi les dégâts restent limités.
Correction :
a) On écrit chaque concentration en puissance de $10$ : $\dfrac{10^{-5}}{10^{-7{,}2}} = 10^{2{,}2} \approx 158$, soit environ 160 fois plus d'ions $\text{H}^+$.
b) Dans le cytosol, à pH voisin de 7,2, l'enzyme libérée ne garde que 8 % de son activité. La membrane du lysosome isole les enzymes, et le pH du cytosol les freine si elles s'échappent : la compartimentation protège deux fois.
Exercice 7 : Dans un axone de $80\ \text{cm}$, les microtubules ont tous leur extrémité plus tournée vers la terminaison. Une vésicule partie du corps cellulaire avance à $2\ \mu\text{m/s}$ (données fictives). a) Quel moteur la transporte ? b) Calcule la durée du trajet jusqu'à la terminaison, en jours.
Correction :
a) La vésicule va vers l'extrémité plus : c'est la kinésine.
b) On convertit, puis $t = \dfrac{d}{v}$ : $d = 8 \times 10^{5}\ \mu\text{m}$, donc $t = \dfrac{8 \times 10^{5}}{2} = 4 \times 10^{5}\ \text{s}$, soit $\dfrac{4 \times 10^{5}}{86\,400} \approx$ $4{,}6$ jours.
Erreur à éviter : oublier que $1\ \text{cm} = 10^{4}\ \mu\text{m}$.
Exercices : niveau difficile
Exercice 8 : Un récepteur est une glycoprotéine (protéine portant des sucres) qui traverse la membrane plasmique. Ses sucres sont greffés dans la lumière du RER, puis modifiés dans celle du Golgi. Une fois le récepteur dans la membrane plasmique, ses sucres sont-ils côté cytosol ou côté extérieur ? Justifie en suivant la membrane d'un compartiment à l'autre.
Correction :
On suit la face de la membrane tournée vers la lumière : elle ne passe jamais du côté du cytosol.
Les sucres sont dans la lumière du RER, puis du Golgi, puis à l'intérieur de la vésicule. Quand la vésicule fusionne avec la membrane plasmique, son intérieur s'ouvre sur l'extérieur de la cellule.
Les sucres sont tournés vers le milieu extracellulaire.
Exercice 9 : Dans la mucolipidose de type II (en anglais « I-cell disease »), l'enzyme qui lance la pose de l'étiquette mannose-6-phosphate ne fonctionne pas. Chez les malades, les hydrolases des lysosomes se retrouvent hors des cellules, et les lysosomes se remplissent de grosses molécules non dégradées. Explique ces deux observations.
Correction :
On suit les hydrolases depuis le Golgi, sans leur étiquette. Le récepteur ne les reconnaît pas : elles ne partent pas vers les lysosomes, mais suivent le chemin des protéines sécrétées et sortent par exocytose (MedlinePlus Genetics).
Sans étiquette, pas de tri : les hydrolases sont sécrétées, et les lysosomes accumulent ce qu'ils ne peuvent plus dégrader.
Exercice 10 : On traduit en tube l'ARN messager d'une hormone protéique sécrétée (données fictives). Sans membranes, on obtient une chaîne de 230 acides aminés. Avec des vésicules de membrane de RE présentes dès le départ : 200 acides aminés, à l'intérieur des vésicules. Avec des vésicules ajoutées après la traduction : 230 acides aminés, hors des vésicules. Interprète ces trois résultats.
Correction :
On compare les longueurs, puis le moment où arrivent les membranes. Les 30 acides aminés en trop forment le peptide signal. Il est reconnu pendant la traduction : si les membranes sont là, la chaîne entre dans la vésicule, où il est coupé ($230 - 30 = 200$). Ajoutées après, les membranes arrivent trop tard.
Un peptide signal de 30 acides aminés, actif pendant la traduction, puis coupé dans le RE.
Bilan et conseils
Devant un cliché, compte les membranes avant de nommer. Devant le trajet d'une protéine, note à chaque étape de quel côté de la membrane elle se trouve.
Ce qu'il faut retenir : la lumière des compartiments correspond à l'extérieur de la cellule, et c'est une étiquette de tri, comme le peptide signal ou le mannose-6-phosphate, qui décide de la destination d'une protéine.
Sources
- OpenStax, Biology 2e, chapitre 4 (la cellule) et section 15.5 (peptide signal).
- J. W. Kimball, Biology, Biology LibreTexts, lysosomes et cytosquelette.
- MedlinePlus Genetics, Mucolipidosis II alpha/beta.