29 notions-clefs : la cellule

Caractéristiques des cellules
Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
Document de Charles Auffray issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Publication : 12 Mai 2014

La cellule est définie par une membrane délimitant un espace où a lieu un ensemble de réactions biochimiques, le métabolisme, sous le contrôle d’un acide nucléique, l’ADN. Il convient alors de se poser la question de savoir ce qu’il advient lorsque l’un de ces éléments vient à manquer.
Des graines peuvent rester à l’état dormant pendant des périodes prolongées, un hiver, des années ou parfois des siècles ou des millénaires. Elles sont bien constituées de cellules, avec des membranes à l’intérieur desquelles se trouve de l’ADN. Mais elles n’ont plus de métabolisme actif, car la dessiccation a éliminé l’eau qui est le milieu nécessaire pour l’exécution des réactions biochimiques. Dès que les conditions de l’environnement le permettent, le métabolisme se réactive et le cycle vital reprend.

Quant au virus, comme son nom latin l’indique, c’est un poison. On l’associe spontanément plutôt à la maladie et à la mort qu’à la vie. Il contient bien un acide nucléique tantôt ADN, comme c’est le cas du virus de l’hépatite B, tantôt ARN (acide ribonucléique), à l’exemple du VIH responsable du sida. Cet acide nucléique est empaqueté dans une enveloppe (capside) formée de protéines, parfois associée à une membrane lipidique.
Mais le virus n’a pas de métabolisme propre. Ce n’est pas seulement en raison de l’absence d’un milieu aqueux favorable à la réalisation des réactions biochimiques, comme dans le cas de la graine. C’est aussi et surtout parce que l’acide nucléique du virus ne contient qu’un jeu d’instructions génétiques limité à la spécification de ses protéines de capside et de sa propre duplication, et qu’il est incapable de commander l’exécution de ces fabrications ou d’un métabolisme fondé sur des échanges d’énergie. C’est seulement lorsque le virus infecte une cellule qui possède tout l’équipement pour l’exécution de ces tâches qu’il peut être dupliqué et donner naissance à d’autres virus. Au passage, il détourne les ressources de la cellule-hôte, affecte son fonctionnement, éventuellement jusqu’à la tuer, ce qui peut perturber la fonction que la cellule remplit dans l’organisme au point de provoquer une pathologie.

Comparaison des tailles d’une cellule eucaryote dont le matériel génétique (ADN) est contenu dans un noyau, d’une bactérie qui ne contient pas de noyau (cellule procaryote), et d’un virus.

Composition et fonctionnement des cellules animales et végétales

Les cellules sont délimitées par une membrane qui n’est pas une enveloppe imperméable, une frontière infranchissable. Au contraire, elle possède des propriétés qui lui permettent de réguler les échanges de molécules de toutes tailles entre le milieu interne, ou cytoplasme, et le milieu externe. On l’appelle également membrane cytoplasmique.
Pour les organismes composés d’une seule cellule, comme les bactéries, les levures et les protozoaires (organismes unicellulaires), le milieu externe, spécifique de l’organe auquel elle appartient, est l’environnement dans lequel vit la cellule. Pour les organismes plus complexes, multicellulaires comme les plantes et les animaux, le milieu externe de la cellule peut être un réseau de fibres constituant la trame d’un organe, comme le foie d’un animal ou la tige d’une plante, ou le milieu intérieur correspondant à la circulation d’un fluide (sang, lymphe, sève).
La membrane cytoplasmique est une double couche fluide de lipides phosphatés associés à des protéines et à des sucres. Les lipides n’aiment pas l’eau, ils sont hydrophobes. Cette force de répulsion assure la cohérence des membranes. Mais les groupements phosphate sont électriquement chargés et interagissent facilement avec les molécules d’eau, ils sont hydrophiles.
Parmi les nombreuses protéines qui sont ancrées dans la membrane cytoplasmique, certaines servent de canaux pour le passage sélectif d’ions comme le sodium ou le potassium, qui intervient par exemple dans la conduction de l’influx nerveux, ou de molécules simples comme les acides aminés, les sucres et les acides gras, qui sont les constituants élémentaires des protéines, des sucres complexes et des lipides assemblés dans les cellules.

Les principaux organites (petits corps que l’on trouve dans le cytoplasme des cellules) et les éléments de structure que l’on trouve dans une cellule animale sont représentés dans la partie haute de la figure, alors que ceux des cellules végétales sont représentés dans la partie basse. Les éléments que l’on ne retrouve que dans l’un des deux types de cellules sont en gras.

D’autres protéines fonctionnent comme des récepteurs : elles se lient à des molécules ou à des agents du milieu externe comme des hormones ou des virus ; cette fixation s’accompagne de la transmission d’un message biochimique à l’intérieur de la cellule qui provoque une réponse de celle-ci (activation d’une série de réactions biochimiques, production et sécrétion d’une hormone, réaction de défense par production d’un anticorps, etc.). On voit à travers ces exemples que les cellules interagissent avec leur environnement par l’intermédiaire de leur membrane pour s’y adapter, répondre à des modifications de cet environnement, y véhiculer des messages. C’est également par l’intermédiaire de sa membrane que la cellule peut s’ancrer de manière stable en un lieu donné, ou se déplacer au contact d’autres cellules au sein de l’organisme.
Chez les bactéries et les plantes, la membrane cytoplasmique est entourée d’une paroi composée de sucres complexes qui lui confère une résistance aux agressions et à la déformation, rigidité qui est nécessaire pour la formation des tissus végétaux par exemple.
Le cytoplasme n’est pas un milieu homogène. Les différents composants de la cellule baignent dans le cytosol. Le microscope optique permet de discerner deux types de cellules : celles qui contiennent des corpuscules visibles, dont le principal est le noyau, qu’on appelle cellules eucaryotes (protozoaires, levures, animaux, végétaux) et celles qui n’ont pas de noyau, les cellules procaryotes, comme les bactéries.
Parmi les corpuscules qu’on appelle organites ou encore organelles, le noyau cellulaire est le plus important par la taille. Entouré d’une double membrane, il contient l’ADN qui est le matériel génétique assurant la transmission héréditaire des caractères et la commande du fonctionnement cellulaire.
D’autres détails ne sont visibles qu’au microscope électronique. Le nucléole est un corps dense qui est le lieu de la synthèse des ARN et de l’assemblage des ribosomes, corpuscules qui servent, après leur transport dans le cytoplasme, à la fabrication des protéines. À proximité du noyau cellulaire, on observe, dans les cellules animales seulement, un groupe de petits tubes, le centriole, qui intervient lors de la division cellulaire, comme on le verra plus loin.
Un réseau de membranes organisées en sacs aplatis et en un labyrinthe réticulé qui parcourt la cellule constitue l’appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique. C’est le lieu de l’assemblage des lipides cellulaires (pour la partie lisse ou régulière du réseau) et des protéines destinées à être ancrées dans des membranes ou sécrétées (pour la partie rugueuse du réseau, due à la présence des ribosomes).

Un autre réseau de tubules et de filaments protéiques traverse la cellule en tous sens ; il s’agit du cytosquelette qui, comme son nom l’indique, sert de soutien à l’architecture de la cellule, mais aussi au déplacement des organites et aux mouvements de la cellule elle-même.
Comme le noyau cellulaire, d’autres organites plus petits sont délimités par une double membrane. Il s’agit des mitochondries que l’on trouve dans les cellules animales et végétales, et des chloroplastes, qui sont caractéristiques des plantes et qui réalisent la photosynthèse. Dans les deux cas, il s’agit de corps allongés qui ressemblent à bien des égards à des bactéries : taille similaire, présence d’un ADN circulaire ; on pense qu’il s’agit de descendants de bactéries ayant parasité les cellules ancestrales, avant d’être capturées et utilisées pour le fonctionnement des cellules.

Noyaux cellulaires et fibres du cytosquelette vus au microscope à fluorescence
© CNRS/photo A. Fernandez

C’est dans les mitochondries qu’ont lieu les réactions biochimiques de la respiration cellulaire, processus du métabolisme qui produit du gaz carbonique, de l’eau et de l’énergie à partir de l’oxygène et des produits de la dégradation des sucres réalisée dans le cytoplasme de la cellule. Plus la cellule est active, plus le nombre de mitochondries qu’elle contient est élevé, jusqu’à des milliers dans le foie ou les fibres musculaires.
Chez les végétaux, les chloroplastes, quant à eux, sont le lieu de la transformation de l’eau et du gaz carbonique en matière organique (matière vivante contenant du carbone) avec production d’oxygène au cours du processus de la photosynthèse. C’est l’énergie lumineuse captée par les pigments chlorophylliens qui est le moteur de cette transformation.
Comme on vient de le voir, chaque organite correspond à un compartiment de la cellule associé à une fonction spécialisée. Les réactions biochimiques, considérées dans leur ensemble, constituent le métabolisme cellulaire. Des nutriments entrent dans la cellule soit par un transport actif à travers des canaux spécialisés s’il s’agit de petites molécules, soit par la formation de poches membranaires (invaginations) pour des corps plus importants. Un exemple d’invagination est celui des globules blancs qui phagocytent – absorbent – les bactéries attaquant l’organisme. Les éléments ayant pénétré dans la cellule sont digérés.
La dégradation en molécules de taille de plus en plus réduite se poursuit dans le cytoplasme par un ensemble de réactions comme la glycolyse (dégradation du glucose) et la fermentation (dégradation de glucose sans utilisation d’oxygène). Ces réactions aboutissent au transfert de l’énergie chimique des molécules en ATP (adénosine triphosphate), molécule qui constitue la monnaie énergétique de la cellule. Ce transfert est poursuivi et amplifié dans les mitochondries par la respiration cellulaire, qui produit la plus grande partie de l’ATP.

 

Le catabolisme est étroitement couplé à l’anabolisme (figure ci-contre). En effet, l’énergie et les petites molécules produites lors du catabolisme sont le point de départ des réactions d’assemblage des macromolécules spécifiques de la cellule :

  • duplication de l’ADN avant la division cellulaire et transcription de l’ADN en ARN dans le noyau, à partir des unités de base que sont les nucléotides,
  • traduction des ARN messagers en protéines par assemblage des acides aminés par les ribosomes,
  • synthèse de sucres et de lipides complexes à partir des sucres élémentaires et des acides gras, notamment dans le réticulum endoplasmique, etc.

Toutes les réactions biochimiques du métabolisme font intervenir des enzymes, protéines qui agissent comme des catalyseurs (substance chimique qui accélère une réaction sans être elle-même consommée au cours de cette réaction) pour faciliter l’exécution des transformations requises. Ces réactions sont organisées en un réseau complexe finement régulé de manière à répondre aux besoins de la cellule et aux modifications de son environnement. Ainsi, loin d’être un espace clos, la cellule est un lieu d’échange et d’interaction avec le milieu extérieur.


Le catabolisme est l’ensemble des réactions de dégradation au cours desquelles les molécules complexes sont détruites. L’anabolisme, par contre, est l’ensemble des réactions de synthèse au cours desquelles des molécules complexes sont produites à partir de molécules plus simples. Les réactions biochimiques ’du catabolisme, qui libèrent de l’énergie, et celles de l’anabolisme, qui en consomment, sont étroitement couplées par l’intermédiaire de la phosphorylation (gain d’un ion phosphate) de l’ADP (adénosine diphosphate) en ATP, la monnaie énergétique de la cellule.

Division cellulaire, différenciation et développement

Les bactéries se multiplient par un processus de division simple : après que la cellule a doublé de taille et que son ADN circulaire a été dupliqué, puis réparti aux deux pôles de la cellule, celle-ci est divisée en deux par extension de la membrane dans la partie centrale.
Dans le cas des cellules eucaryotes, si le principe général est semblable, les modalités sont plus complexes, car il est nécessaire de dupliquer le noyau qui contient le matériel génétique, l’ADN réparti en plusieurs chromosomes, chacun présent en deux exemplaires. Le nombre des chromosomes est caractéristique de chaque espèce, par exemple 2n = 46 chez l’Homme. Entre les divisions cellulaires, la chromatine se décondense et on ne distingue alors plus les chromosomes ; c’est l’interphase. L’ADN est dupliqué pendant la fin de l’interphase, lors de la préparation de la division cellulaire. Puis chaque chromosome qui reste lié à son double se condense et devient visible au microscope. Simultanément, il se forme un réseau de filaments en forme de fuseau qui pointe vers les pôles opposés de la cellule. Après cette phase initiale, ou prophase, la double membrane qui entoure le noyau cellulaire disparaît, et les chromosomes condensés se déplacent le long du fuseau pour se regrouper dans le plan équatorial de la cellule : c’est la métaphase, stade propice à l’observation des chromosomes, par exemple pour détecter des anomalies de structure ou de nombre (trisomie).

Les différentes phases de la division cellulaire, ou mitose, qui, à partir d’une cellule, donne naissance à deux cellules.

Lors de la phase suivante, ou anaphase, les chromosomes dédoublés se séparent, la cellule contient alors 4n chromosomes individualisés. Deux exemplaires de chaque type migrent vers l’un des pôles de la cellule. Finalement, lors de la télophase, chaque jeu complet de 2n chromosomes est entouré d’une nouvelle membrane nucléaire et les chromosomes se décondensent.
L’ensemble des phases de duplication du noyau et des chromosomes constitue la mitose, processus essentiel de la division cellulaire. Celle-ci s’achève, après que la cellule a grandi en taille, par la partition en deux cellules, suite à l’extension de la membrane cytoplasmique dans la partie intermédiaire (cytodiérèse).
Le processus de division cellulaire peut être répété un certain nombre de fois, mais ce nombre n’est pas illimité. Généralement, après une trentaine de divisions successives, le processus s’arrête. Cela semble résulter à la fois d’un contrôle génétique de la capacité de prolifération des cellules, et de l’accumulation d’erreurs lors des divisions successives. Dans un organisme donné, les cellules se divisent en fonction des besoins du moment : croissance, développement ou réparation d’une blessure. Le processus de duplication de l’ADN et des chromosomes est très précis, et la cellule dispose même d’un système de détection et de réparation des erreurs qui surviennent et parvient ainsi à les corriger presque toutes. Cependant, un petit nombre de ces erreurs subsistent, et d’autres sont induites par des événements extérieurs : radiations ionisantes, rayonnement ultraviolet, agents chimiques, virus.
Les différentes phases de la division cellulaire, ou mitose, qui, à partir d’une cellule, donne naissance à deux cellules. Si ces erreurs touchent le contrôle de la prolifération cellulaire, il s’ensuit des modifications dans le noyau et l’apparition de cancers.

La division cellulaire par mitose est le mode de reproduction asexué de nombreux organismes eucaryotes, y compris parmi les plus complexes comme les plantes. Elle conduit à la formation de clones d’individus très semblables, mais pas parfaitement identiques, car un petit nombre de mutations sont toujours présentes. À l’opposé, la reproduction sexuée conduit à introduire une dose plus importante de différence, et surtout de nouveauté, c’est pourquoi on l’appelle procréation. Elle fait appel à un processus de division cellulaire particulier, la méiose, au cours duquel se forment les cellules sexuelles, ovules et spermatozoïdes, aussi appelées gamètes. À l’issue des deux divisions cellulaires de la méiose, les gamètes ne contiennent plus qu’un jeu de chromosomes, et ces chromosomes ont subi des remaniements conduisant à mélanger des segments d’ADN issus de la lignée paternelle et de la lignée maternelle. Autrement dit, le nombre de chromosomes est réduit de moitié, et ces chromosomes sont nouveaux.
Cette situation est mise à profit lorsqu’un ovule et un spermatozoïde se rencontrent lors de la fécondation : l’oeuf qui est formé est une nouvelle cellule, avec deux jeux de chromosomes après que les noyaux de l’ovule et du spermatozoïde ont fusionné. L’individu qui résultera du développement de cet oeuf sera lui-même nouveau, identique à nul autre ayant vécu auparavant, car issu du brassage génétique au cours de la méiose, sorte de tirage au sort chromosomique parmi une multitude de possibilités.
Après la fécondation, la cellule oeuf commence à se diviser par le processus de la mitose.

Aux premiers stades du développement, les cellules sont en mesure d’utiliser toute l’information génétique qu’elles contiennent et sont toutes capables de donner naissance à un organisme entier, on dit qu’elles sont totipotentes. Ainsi, si une segmentation de l’oeuf intervient naturellement, ou si elle est provoquée artificiellement, on obtiendra deux individus jumeaux. Après quelques divisions, on voit apparaître des propriétés distinctes pour les différentes cellules de l’embryon. C’est le début de la différenciation qui intervient à des stades variables mais précisément définis pour chaque espèce. Simultanément, chez les espèces animales, les potentialités des cellules se restreignent. Certaines, les cellules souches, conservent un potentiel important pour assurer l’alimentation des lignages cellulaires responsables de la formation de systèmes organiques complexes : lignées hématopoïétiques pour le système sanguin (globules rouges, globules blancs, plaquettes, macrophages), lignée germinale pour le système de reproduction sexuée (ovules, spermatozoïdes) ; lignées neuronales ou musculaires, etc. L’équilibre entre les différents lignages issus d’une même cellule souche et son potentiel de différenciation dépend du contexte dans lequel elle se trouve. Jusqu’à récemment, on considérait que, chez les animaux, contrairement à ce qui se passe chez les plantes, qui peuvent se régénérer à partir d’à peu près n’importe quel type cellulaire, plus une cellule était différenciée, plus ses potentialités de régénérescence étaient réduites de manière irréversible. Cela devait rendre impraticable le clonage par remplacement du noyau d’un ovocyte par celui d’une cellule différenciée.
Cependant, des observations récentes ont montré que les cellules les plus différenciées conservaient des potentialités inattendues : des neurones dont on pensait qu’ils arrêtaient de se diviser au cours du développement embryonnaire se remettent à proliférer à la suite d’une lésion, et peuvent même être à l’origine de la formation de cellules sanguines. Cela explique le succès des tentatives de clonage par transfert de noyau qui ont été obtenues après que la cellule donneuse de noyau a été conditionnée par un traitement adéquat (privation de nutriment associée à un choc électrique).
Mais, là aussi, les individus clonés ne sont pas parfaitement identiques à l’animal sur lequel a été prélevé le noyau cellulaire, en raison des quelques mutations qui sont intervenues au cours des divisions cellulaires. Ils ne sont pas non plus identiques dans leur apparence, car l’expression de caractères dépend certes du matériel génétique, mais elle est largement modulée par les conditions de l’environnement, qui varient légèrement pour chaque individu au cours du développement et s’amplifient après la naissance.

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