La cellule, unité du vivant

I/ Principes généraux

a) Etymologie

Le nom de « cellule » a été donné par son découvreur Robert Hooke en 1665 alors qu’il observait grâce à son microscope des cavités closes d’écorce de liège qui lui rappelèrent des chambres monastiques du nom latin Cellula.

b ) Définition

La cellule est l’unité biologique structurelle et fonctionnelle fondamentale de tous les êtres vivants connus.  Elle peut constituer, à elle seule, un organisme cellulaire ou bien s’assembler avec d’autres cellules pour former un organisme.

c) Description :

Une cellule est invisible à l’œil nu et s’observe grâce à un microscope dont la taille est de l’ordre du micromètre (µm).
Les cellules ont des fonctions communes :

• La différenciation : Elles ont un programme génétique (ADN) et les moyens de le mettre en œuvre (ARN, protéines, ribosomes).
• La prolifération : Elles peuvent se diviser.
• L’apoptose : Elles ont un programme de mort.  
• Le métabolisme : Les cellules acquièrent et utilisent de l’énergie.

 Les cellules ont également des fonctions spécifiques :

• Elles répondent à des stimuli par la mise en œuvre de fonctions spécialisées
• Stockage de macromolécule (amidon, glycogène, lipide), contraction musculaire, conduction nerveuse, photosynthèse, fonction immunitaire, etc…

II/ Structure des cellules

On distingue deux types de cellules selon qu’elles possèdent ou non un noyau enveloppé d’une membrane nucléaire.

a) La cellule procaryote

Les cellules procaryotes sont dépourvues de noyau et ont leur matériel génétique libre dans la cellule. Elles regroupent les bactéries et les archées qui sont des organismes unicellulaires.
Ce sont des cellules qui :

• Ont de faible dimension (1 à 4 µm)
• Présentent une simple organisation avec une paroi protectrice qui confère à la cellule sa rigidité et sa forme, sous laquelle se trouve la membrane plasmique qui entoure un seul compartiment cytoplasmique contenant de l’ADN entouré par le nucléoïde, de l’ARN, des enzymes, des petites molécules et des ribosomes.
• Présentent un mécanisme de division simple et rapide : certaines bactéries se divisent, sous des conditions favorables, toutes les  20 minutes, donnant ainsi naissance à 4 milliards de cellules en 11 heures !
• On peut retrouver parfois des éléments extra-chromosomiques appelés plasmides, qui sont généralement circulaires et qui encodent des gènes supplémentaires, comme des gènes de résistances aux antibiotiques.

Voici un timelapse d’une multiplication de la bactérie Escherichia coli (bactérie intestinale des mammifères)

Comme on peut le voir ces cellules ne s’assemblent pas pour former des tissus ou des organes mais peuvent exister sous forme de colonie.

Astuce : Comme moyen mnémotechnique, rappelez-vous que procaryote commence par un p comme le mot « pas » : les cellules procaryotes ne possèdent pas de noyaux.

b) La cellule eucaryote

Les cellules eucaryotes présentent une organisation interne plus complexe, de nombreux organites spécialisés au sein desquels se déroulent des processus métaboliques spécifiques et dont le noyau (eucaryote signifiant « vrai noyau »)  est délimité par une membrane nucléaire. Elle est l’unité de base des organismes animaux, végétaux, fongique et protozoaire et présente une taille assez grande qui peut aller jusqu’à 100 µm.

Astuce : Prenez un moment pour bien mémoriser les schémas et essayer de les reproduire et de replacer les éléments qui s’y trouvent. (En fonction de votre niveau scolaire, n’hésitez pas à aller chercher des schémas plus simple.)

Sur nos premières observations des schémas, on peut voir apparaitre quelques différences chez la cellule végétale :

• La présence des chloroplastes, dotés de chlorophylle, pigment qui captent la lumière du soleil pour réaliser la photosynthèse.
• La présence d’une grosse vacuole (attention les cellules animales n’en sont pas dépourvues) qui est remplie d’eau pour générer la turgescence et la rigidité.
• La paroi cellulaire faite de cellulose, dans laquelle se situe les plasmodesmes, canal permettant le passage de l’eau, des solutés, des phytohormones entre deux cellules.
• L’amyloplaste, qui est un organite qui va permettre à la cellule végétale de stocker de l’amidon.

Dans tous les cas, ce qui nous saute réellement aux yeux sur ces deux schémas, c’est bien la complexité et l’organisation des organites au sein des cellules. Essayons de voir quel sont leurs rôles.

III/ Les éléments constitutif d’une cellule

Astuce : Pendant que vous lisez cette partie, listez les différents organites et définissez leur rôle de manière synthétique au sein d’un tableau afin de réaliser une fiche révision. (Adaptez à votre niveau.)

a) La membrane plasmique

La membrane plasmique délimite le cytoplasme d’une cellule, c’est une sorte de frontière entre le cytoplasme et l’environnement extracellulaire où peuvent avoir lieu des échanges entre le milieu intra et extra cellulaire et qui permet à la cellule d’interagir avec son environnement.
Ses caractéristiques sont les suivantes :

• Elle est constituée d’une bicouche lipidique amphiphile qui assure la stabilité de la membrane
• Contient un stérol, le cholestérol, qui a un rôle structural
• Contient des protéines et/ou des glycoprotéines insérées dans la bicouche qui interviennent dans de nombreux processus (transport, récepteur, enzyme, adhérence…)
• Une organisation asymétrique entre les deux feuillets liée à la composition en phospholipide, la nature des protéines insérées, la présence ou non de glucide, liens avec le cytosquelette….
• Une composition chimique hétérogène qui varie d’un type cellulaire à un autre ou bien entre deux régions différentes au sein de la cellule

b) Le cytosquelette

Le cytosquelette est composé de filaments protéiques et :

• Regroupe un ensemble de polymères fibreux et des protéines associées.
• Joue le rôle d’un véritable « squelette cellulaire » en déterminant la forme des cellules.
• Joue le rôle d’une musculature cellulaire, responsable des mouvements des cellules elles-mêmes ou des composants cellulaires à l’intérieur des cellules.

c)  Les ribosomes

Ce sont des complexes moléculaires formés de protéines et d’ARN. Chaque ribosome est constitué de deux sous-unités et fonctionne comme une chaîne d’assemblage réalisant la biosynthèse des protéines à partir d’acide aminé.

d) Le réticulum endoplasmique

C’est un ensemble de canalicule et de vésicule qui constitue un réseau très développé dans les cellules eucaryotes. Il est en continuité avec l’enveloppe nucléaire qui fait partie d’un RE.
On peut distinguer deux types de RE :

• Le réticulum endoplasmique rugueux ou granuleux (REG OU RER) se nomme ainsi car on y trouve des ribosomes qui ont pour rôle la synthèse et la translocation des protéines sécrétées, membranaires et résidentes des vésicules. Il permet également la conformation spatiale des protéines et des contrôles qualité avant leur export vers l’appareil de Golgi.
• Le réticulum endoplasmique lisse (REL) dépourvu de ribosome qui a pour fonction la synthèse des phospholipides membranaires, la synthèse de cholestérol et des hormones stéroïdiennes, le stockage et la libération du calcium.

e) L’appareil de Golgi

L’appareil de golgi est localisé entre le RE et la membrane plasmique et est composé de sacs aplatis. Il est l’intermédiaire entre la maturation et la sécrétion des protéines élaborées dans le réticulum et il régule le transport vésiculaire. Très schématiquement, l’AG reçoit les protéines en provenance du RE, les modifie, les trie puis les exporte vers d’autres compartiments (membrane plasmique, endosome, lysosome…) ou vers le milieu extracellulaire.

f) Lysosomes et peroxysomes

Les lysosomes contiennent des hydrolases acides, qui sont des enzymes digestives. Ces organites ont donc pour rôle de dégrader les éléments cellulaires endommagés ou inutilisés, mais également les particules alimentaires, les virus et les bactéries phagocytés.
Les peroxysomes contiennent des enzymes oxydantes qui vont permettre la détoxification de la cellule. Chez les végétaux chlorophylliens, ils vont intervenir lors de la photorespiration.  

g) Mitochondrie et chloroplaste

La mitochondrie est délimitée par deux membranes : la membrane interne présente des plis appelés crêtes mitochondriales et le milieu intérieur de la mitochondrie est la matrice.
Les mitochondries sont présentes dans toutes les cellules animales et végétales et sont considérées comme les « centrales énergétiques » de la cellule.

Les chloroplastes sont des organites uniquement présents chez les végétaux chlorophylliens. Comme les mitochondries, ils sont délimités par une double membrane : l’intérieur est appelé stroma et contient des « pastilles » vertes. Il s’agit des thylakoïdes, dont la couleur est liée à la présence de chlorophylle, qui est un pigment capable de capter l’énergie lumineuse qui sera ensuite transformée par la cellule végétale. Ces deux organites ont pour fonction de produire de l’énergie, nécessaire pour assurer la survie de la cellule.
La mitochondrie permet :

• La respiration cellulaire en produisant de l’énergie métabolique sous forme d’ATP et du pouvoir réducteur de NADH et FADH2 à travers un ensemble de voie métabolique (Ce processus s’appelle la phosphorylation oxydative)
• Le déclenchement et la régulation de la mort cellulaire programmée : l’apoptose.

Au contraire des mitochondries qui vont transformer l’énergie reçue par la matière organique alimentaire (glucide, lipide, protide), les chloroplastes vont transformer l’énergie lumineuse (ce processus s’appelle la photosynthèse. )

h) Le noyau

Le noyau est le compartiment délimité par l’enveloppe nucléaire qui sépare le nucléoplasme et le cytoplasme. Il est le point de départ de l’expression génétique en étant le lieu de stockage du matériel génétique porté par l’ADN. La membrane nucléaire a pour rôle d’isoler et de protéger l’ADN des agents chimique susceptibles de l’endommager ou d’interférer avec ses fonctions biologiques.
L’ADN déroulé constitue la chromatine.
Dans une zone du noyau, la chromatine est plus dense et forme une « tâche » circulaire appelée nucléole.

i) Le cytoplasme

Le milieu intérieur de la cellule, la substance fondamentale du cytoplasme s’appelle le hyaloplasme (on parle également du cytosol ou cytogel, en fonction de son état, plus ou moins liquide ou visqueux.)

j) Les vésicules

Ce sont des sacs membranaires lipidiques qui vont permettre la pénétration de substance à l’intérieur de la cellule (endocytose) ou bien d’évacuer des produits de synthèse de la cellule vers l’extérieur (exocytose).

Conclusion

À l’issue de ce cours, vous devez dorénavant être capable de schématiser des cellules eucaryotes (animales et végétales) et procaryotes, de savoir placer les organites qui les composent et de comprendre leur rôle. Vous devez également savoir quelles sont les différences entre ces différents types de cellules.

Pour aller plus loin

Voici des sites pour s’exercer :
Ce site présente plusieurs QCM sur la SVT au lycée : https://www.qcm-svt.fr/index.php
Niveau avancé : https://ressources.unisciel.fr/biocell/menu/co/module_menu_1.html

Le MOOC (Massive Open Online Course) sur les cellules et cellules souche proposé sur la chaine youtube de l’INSERM (Institut national de la santé et de la recherche médicale)