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Place et découverte de la cellule
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La connaissance de la composition et du
fonctionnement cellulaires a permis de comprendre comment les organismes
se développent, se reproduisent et interagissent - à de nombreux
niveaux - avec leur environnement. En effet les interactions, se
produisant à de nombreux niveaux, dépendent des liens nutritionnels et
chorologiques s'établissant entre structures vivantes et non vivantes,
correspondant aux différents niveaux d'intégration de la matière.
Admettons que la matière fondamentale est l'atome. 
Un ensemble d'atomes formera - par liaisons chimiques - une molécule ;
atomes et molécules, dépourvus de vie, se caractériseront par des
propriétés physiques et chimiques bien spécifiques.  Un ensemble de
milliards de molécules, bien organisées, donnera naissance -
phénomène non encore expliqué aujourd'hui - à une cellule vivante
qui se caractérisera non seulement par des propriétés
physico-chimiques mais également par des propriétés biologiques -
spécifiques aux entités vivantes - telles que : respiration,
croissance, nutrition, excrétion, reproduction, ...
 Les cellules participant à la même fonction
biologique se regrouperont en tissu ; des tissus différents formeront
un organe. Certains organes s'associeront pour assurer une fonction bien
déterminée ; ils forment alors un système. Enfin, un ensemble de
systèmes formera un organisme qui, lui-même, établira des relations
avec d'autres organismes de la même espèce ou d'espèces différentes.
Il apparaît donc que, indiscutablement, la cellule
malgré la spécialisation qu'elle peut acquérir, constitue l'unité fonctionnelle d'un organisme vivant, du plus petit - prion,
virus, bactérie, ... - au plus grand - être humain, éléphant,
baleine, ... -.
  L'étude de la cellule ne commença vraiment qu'au
17ème
siècle avec l'apparition du microscope optique. Anton van Leeuwenhoek
est célèbre pour avoir, le premier, observé des êtres
unicellulaires, mais c'est Robert Hooke qui identifia l'existence de
cellules dans les tissus. Les minuscules chambres qu'il observa dans la
structure alvéolaire du liège lui rappelèrent les chambres ou cellule
d'un monastère. En fait, ce qu'il voyait correspondait aux parois des
cellules du liège.
  C'est seulement au
18ème siècle que
Matthias Schleiden publia sa théorie selon laquelle toutes les plantes
étaient composées de cellules; Théodore Schwann émit une théorie
semblable concernant les animaux. Peu de temps après, l'allemand
Rudolph Virchow statua que « chaque cellule provient d'une cellule
préexistante ». C'est finalement au milieu du 19ème
siècle que les biologistes reconnurent le principe de la théorie
cellulaire: tous les êtres yivants sont composés d'éléments
autoreproducteurs qu'on appelle cellules.
 Mais ce n'est qu'au
20ème siècle, avec
l'apparition du microscope électronique présentant un pouvoir de
résolution 200 000 fois supérieur à celui de l'oeil humain, qu'on
découvrit l'ultrastructure de la cellule révélant, avec précision,
l'existence d'organites cellulaires : noyau, mitochondries, lysosomes,
vacuoles, corps de Golgi, ribosomes, centrioles, chloroplastes, ... que
nous évoquerons en détail par après.
Au cours des dernières décennies, ce sont donc des
moyens d'investigation et d'observation de plus en plus perfectionnés
qui ont été développés; citons : le microscope électronique à
balayage, évitant les préparations microscopiques et donnant une
impression de relief, le cryodécapage complétant le microscope
à balayage, l'ultracentrifugation permettant de séparer les
organites cellulaires en fonction de leur de leur masse, l'usage de traceurs
chimiques radioactifs permettant de "suivre" les
molécules au sein d'une cellule, l'analyse des figures de diffraction
par rayons X permettant de modéliser la structure des molécules,
les analyses chimiques et biochimiques qui consistent en des
séparations par chromatographie ou encore par électrophorèse.
Bon nombre de ces techniques sont, de plus actuellement, associées aux
traitements par ordinateur. |
La membrane cytoplasmique - Généralités
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 Les observations faites en microscopie optique ont rapidement
révélé que toute cellule était constituée d'un cytoplasme, limité par une
membrane cytoplasmique, et d'un noyau séparé du cytoplasme par une
membrane nucléaire. On soupçonnait l'existence, dans le
nucléoplasme du noyau ainsi
que dans le cytoplasme, l'existence de petites entités : les organites.
1 - Structure
 Observée avec le microscope électronique à transmission,
la membrane ressemble à un sandwich d'environ 7,5 à 8,0 nm d'épaisseur: deux
couches sombres séparées d'une zone centrale plus claire. D'après les
recherches biochimiques des années 30, on croyait que les deux couches externes
étaient constituées par des protéines emprisonnant une double couche de
phospholipides qui présentaient leur région polaire vers l'extérieur et leur
région non polaire vers l'intérieur. Comme on pensait que toutes les membranes
avaient cette structure on a parlé alors de modèle de membrane unitaire.
Un peu plus tard, la technique de cryodécapage révéla que
la structure de la membrane était plus complexe et qu'elle se modifiait.
Lorsqu'on congèle une cellule, elle se fracture; la membrane éclate en
laissant voir son intérieur . Le microscope électronique y révèle la
présence de particules globulaires.
 Il semble que la plupart des protéines se trouvent à
l'intérieur de la double couche lipidique. On retrouve quelques protéines
juste à l'intérieur de la cellule et elles sont apparemment reliées à celles
de la membrane; c'est ce qu'on appelle le modèle de la mosaïque fluide. Les
protéines situées à l' intérieur de la membrane donnent à celle-ci un
aspect toujours changeant car elles se déplacent latéralement dans la double
couche lipidique qui a une consistance huileuse. Il existe différents types de
protéines membranaires selon les variétés cellulaires. Certaines sont
qualifiées de médiateurs car elles facilitent l'entrée ou la sortie des
molécules; d'autres agissent comme récepteurs des molécules qui influencent
l'activité cellulaire.
 De courtes chaînes glucidiques sont accrochées à la
surface externe de certaines molécules protéiques et lipidiques. On a des
preuves que ces glycoprotéines et ces glycolipides permettent aux
cellules de se reconnaître entre elles et d'identifier les cellules
étrangères à l'organisme. Si tel est le cas, leur présence peut expliquer en
partie pourquoi un individu rejette l'organe qu'on vient de lui implanter .
2 - Fonctions
De ce qui précède
on conçoit aisément que plusieurs fonctions fondamentales peuvent être
attribuées à la membrane cytoplasmique:
1.
C'est la limite cellulaire
2.
C'est un lieu d'échange
3.
C'est la "carte d'identité" ; donc le lieu
de reconnaissance
4.
Elle participe à la défense cellulaire
 Nous
n'évoquerons, dans cette partie - "réservée" fondamentalement aux
élèves de 4ème année -, que l'aspect échange.
La membrane cellulaire sert de frontière entre le milieu
extérieur de la cellule et son milieu intérieur qu' on appelle cytoplasme. La
membrane permet seulement à certaines molécules d'entrer ou de sortir
librement du cytoplasme; on dit que la membrane est sélectivement
perméable.
En général, les molécules de petite taille la traversent plus facilement que
les plus grosses. Les molécules non polaires comme certains lipides, traversent
aisément la membrane, mais les molécules polaires sont souvent repoussées par
les particules chargées de la membrane. Plusieurs mécanismes
sont mis en oeuvre pour assurer les échanges : diffusion,
osmose, transports passif et
actif.
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La membrane cytoplasmique - Les échanges
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1 - Diffusion
Certaines petites molécules traversent la membrane par
diffusion. La diffusion correspond au déplacement des molécules d'une région
de forte concentration vers une région de plus faible concentration. On peut la
mettre en évidence en plaçant, par exemple, du sirop de grenadine au fond d'un
verre et en le remplissant doucement d'eau. La couleur se répandra très
lentement jusqu'à l'obtention d'une teinte homogène dans l'entièreté du
verre. La diffusion est un
phénomène physique qui se produit - grâce à l'agitation moléculaire -
lorsqu'il existe un gradient de
concentration, c'est-à-dire qu'il y a variation de la quantité de substance
d'une région à une autre. Les molécules gazeuses C02 et O2
et l'eau
traversent facilement la membrane par simple diffusion.
2 - Osmose
L'osmose est la diffusion de l'eau à travers une membrane
cellulaire. Elle se produit toutes les fois que la concentration de l'eau est
différente de part et d'autre d'une membrane sélectivement perméable. Dans le
cas de l'osmose, on parle de concentration d'une solution en eau (solvant)
plutôt que de concentration en substance dissoute (soluté). Dans ce cas, l'eau a tendance à se déplacer du milieu de plus
forte concentration (en eau) - solution HYPOTONIQUE - vers le milieu de plus faible concentration (en
eau) - solution HYPERTONIQUE -. En théorie, l'eau devrait continuer à pénétrer dans le
tube jusqu'à ce que la concentration (en eau) soit égale de part et d'autre de
la membrane. Cependant, dès que l'eau pénètre, une « contre- pression »
apparaît qui freine le passage de l'eau. À ce moment, les molécules d'eau
entrent et sortent du tube en quantités égales. Cette « contre-pression » ou
pression osmotique est la force qu'il faut exercer pour retenir le mouvement de
l'eau à travers la membrane sélectivement perméable.
Le cytoplasme contenant en plus de l'eau, des protéines et
des sels, la cellule possède des propriétés osmotiques. L'osmose est très
importante pour les cellules puisqu'elle leur permet d'absorber ou de perdre de
l'eau jusqu'à menacer leur existence.
Osmose chez les cellules animales
Lorsqu'on plonge une cellule animale, un globule rouge
par exemple, dans une solution isotonique (concentration en eau identique
de part et d'autre de la membrane), l'eau ne se déplace pas et la cellule
conserve une apparence normale. Par contre, un globule rouge placé dans une
solution hypertonique ( concentration en eau plus faible à l'extérieur
de la membrane), se ratatine par perte d'eau cytoplasmique; placé dans une
solution hypotonique (concentration en eau plus forte à l'extérieur de
la membrane) il se gonfle jusqu'à éclater par absorption d'eau extérieure.
Osmose chez les cellules végétales
 La cellule végétale jouit de propriétés osmotiques qui
sont plus difficiles à observer car il existe une paroi cellulaire qui
jouxte la membrane. Cette paroi, constituée en grande partie par de la
cellulose recouvre extérieurement la membrane et confère à la cellule sa
forme et sa rigidité. La paroi est poreuse (repérez
les flèches sur la photographie) et permet à toutes les variétés
de molécules de la traverser librement. Le reste de la cellule végétale
réagit cependant aux solutions hypertoniques et hypotoniques. Lorsqu'on plonge
une cellule végétale dans une solution hypertonique, une grande vacuole
centrale se vide en partie de son eau et la cellule se
rapetisse. La membrane
cellulaire se décolle de la paroi ; on dit que la cellule est en état de
plasmolyse.
Lorsque la cellule se trouve dans une solution hypotonique, la vacuole
s'enrichit en eau, la membrane repousse la paroi mais celle-ci empêche
normalement la
cellule d'éclater ; on dit que la cellule est en état de
turgescence. C'est la
turgescence qui maintient les plantes herbacées dressées; en absence de
turgescence, la plante se flétrit.
On s'intéressera, si possible, à une expérience
amusante
et à un laboratoire de mesure
de la pression osmotique.
3 - Transports
passif et actif
La plupart des solutés (ions ou molécules autres que l'eau)
sont incapables de diffuser simplement à travers la membrane; ils la traversent
grâce à des médiateurs (molécules porteuses). Un médiateur est une
protéine membranaire (ou un groupe de protéines) dont le rôle est spécifique
car elle ne se lie qu'au type de molécule qu'elle transporte. On pense qu'il
existe deux modes de transport: le transport passif et le transport actif.
Dans
le transport passif, le médiateur ne fait qu'augmenter la vitesse de diffusion
d'un soluté spécifique. Ce transport passif permet à des glucides, à des
acides aminés ou à des nucléotides d'entrer ou de sortir de la cellule selon
leur gradient de concentration. Dans ce cas, aucun apport d'énergie n'est
requis.
Dans le transport actif, le soluté
traverse la membrane à
l'encontre du gradient de concentration (d'une région à faible concentration
vers une région à forte concentration). C'est un mécanisme grâce auquel un
soluté voit sa concentration augmenter soit d'un côté de la membrane soit de
l'autre. Chez l'Homme, par exemple, l'iode se concentre dans les cellules de la
glande thyroïde; le sucre est complètement absorbé au niveau de l'intestin
par les cellules de sa paroi; parfois aussi l'ion sodium (Na+) est presque
complètement réabsorbé à partir de l'urine par les cellules des tubules
rénaux.
Le transport actif exige une dépense d'énergie
considérable car, contrairement à la diffusion, le soluté se déplace d'une
région à faible concentration vers une région à forte concentration.
L'énergie sert à changer la forme du médiateur afin que le soluté puisse
traverser la membrane. Le cycle se termine lorsque la forme du médiateur
revient à la normale.
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Le cytoplasme et les organites
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1 - Le
cytoplasme
 Le
cytoplasme se présente sous la forme d'une solution
colloïdale contenant des micelles - macromolécules ou
agrégats de petites molécules organiques -. Cette solution est
transparente, forme un gel suite à une évaporation - comme l'amidon
dans l'eau, p. ex. -, diffuse latéralement la lumière et est instable
lors d'une centrifugation. Il contient tous les organites cellulaires
extranucléaires.
Il est souvent, chez les cellules végétales, animé d'un mouvement
entraînant d'autres organes ; ce processus est la cyclose
durant laquelle le cytoplasme passe alternativement d'une consistance
gélatineuse (gel) à une consistance liquide (sol) et
inversement. Le passage sol --> gel exige une dépense d'énergie.
Dans le cytoplasme se déroulent de nombreuses réactions chimiques
contrôlées par des enzymes ;
l'ensemble de ces réactions constituant le métabolisme
(anabolisme=synthèse et catabolisme=dégradation) cellulaire. Les
produits de ces réactions se retrouvent parfois enfermés dans une
vacuole limitée par une membrane de même nature que la membrane
cytoplasmique.
Enfin, il contient également des microfilaments formant un
réseau très dense au sein du liquide conférant une relative rigidité
à l'ensemble de la cellule.
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2 -
Les organites
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Les organites sont de petites structures, souvent
membranaires, aux fonctions spécifiques responsables de la croissance et de la
reproduction des cellules. Ils peuvent être classés en 3 catégories selon la
fonction principale à laquelle ils apportent leur contribution.
1. Pour croître, une cellule doit
synthétiser et
éventuellement dégrader les macromolécules qui constituent la matière
cellulaire. C'est un premier type d'organites qui assure ces fonctions : noyau
et chromosomes, reticulum endoplasmique et ribosomes, corps de Golgi et
dictyosomes, lysosomes, vacuoles. Des molécules bien spécifiques participent
à cette fonction : ADN,
ARN, acides aminés, protéines, enzymes.
2. Les cellules ont besoin d'énergie pour synthétiser
les macromolécules et pour effectuer d'autres activités telles que le
transport actif. Un second type d'organites fournit l'énergie à la cellule :
chloroplastes, mitochondries. Ici encore, d'autres molécules, spécifiques,
contribuent à cette fonction : glucose, oxygène, ATP
(et ADP, AMP).
3. Un troisième type
d'organites est chargé de maintenir la forme
de la cellule et de l'aider dans ses déplacements
; ce sont les microfilaments protéiques, les centrioles et l'aster, les cils et
les flagelles.
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