cellule (biologie) (Biologie et Anatomie).

cellule (biologie) (Biologie et Anatomie). 1 PRÉSENTATION cellule (biologie), plus petite unité fonctionnelle d'un être vivant. Les organismes unicellulaires procaryotes (bactéries) ou eucaryotes (protistes), généralement microscopiques, sont composés d'une seule cellule, tandis que les organismes pluricellulaires (métazoaires) sont faits de nombreuses cellules réunies en ensembles spécialisés. On peut opposer deux grands types de cellules en terme de taille et d'organisation interne : les cellules procaryotes et les cellules eucaryotes. Parmi les eucaryotes, les cellules végétales et animales sont en revanche très proches, de par leur structure fondamentale. De nombreux arguments, morphologiques et chimiques, démontrent que les cellules de tous les êtres vivants, animaux ou végétaux, dérivent d'une même cellule primitive -- voir origine de la vie. 2 GÉNÉRALITÉS 2.1 Caractéristiques communes En dépit de leurs nombreuses différences d'aspect et de fonction, toutes les cellules ont un certain nombre de points communs : elles sont entourées d'une membrane (dite membrane plasmique) enveloppant une substance riche en eau, le cytoplasme. La membrane plasmique définit la frontière entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. Toutes les cellules contiennent par ailleurs des informations héréditaires contenues dans l'ADN sous forme de chromosomes qui portent les gènes. L'ADN contrôle les activités de la cellule et lui permettent de se reproduire en transmettant ses caractéristiques à ses descendantes, issues des divisions cellulaires ; il est le support de l'hérédité. 2.2 Diversité Les cellules, bien que généralement microscopiques (il existe cependant des exceptions, telle la bactérie Thiomargartia namibiensis, qui mesure 0,75 mm, ou la cellule-oeuf des oiseaux, dont le diamètre se compte en centimètres), sont de taille et de formes variables. Les plus petites sont les bactéries (procaryotes), avec une taille le plus souvent comprise entre 0,5 et 100 micromètres -- µm (1 µm = 1 millième de millimètre) --, mais certaines, les nanobactéries, n'excèdent pas 0,2 µm. Les bactéries ont des formes très diverses, en bâtonnet, en spirille, sphérique, etc., maintenue par une paroi peptique qui entoure la membrane plasmique. Certaines portent des flagelles, longs de 20 µm en moyenne. Les cellules végétales ont, elles aussi, une forme déterminée (généralement polygonale ou rectangulaire), conférée par une paroi de cellulose. Leur taille est comprise entre 20 et 30 µm en moyenne. Les cellules des champignons sont comparables, mais sont entourées d'une paroi non de cellulose, mais de chitine. Les cellules animales ne sont pas rigides : leur membrane plasmique n'est entourée d'aucune paroi. Leur forme globale est maintenue par les fibres du cytosquelette (réseau de protéines contractiles parcourant le cytoplasme), qui assurent également leurs mouvements éventuels. Leur taille est généralement comprise entre 10 et 20 µm. Les corps cellulaires des différents types de cellule sont donc, de façon générale, de taille inférieure à 30 µm. Certaines cellules peuvent toutefois posséder des prolongements de leur cytoplasme extrêmement longs. Ainsi les poils absorbants des racines des plantes, représentant chacun le prolongement d'une cellule, peuvent être longs de plusieurs centimètres. Chez les animaux, les axones, prolongements des cellules nerveuses (neurones), peuvent atteindre plusieurs mètres (girafe, baleine...). 2.3 Cellule procaryote versus cellule eucaryote Comparées aux cellules eucaryotes, les cellules procaryotes ont une structure très simple. Elles ne contiennent aucun organite ; toutes les réactions biochimiques sont réalisées par des composants (enzymes, ribosomes, protéines) en solution dans le cytoplasme. De même, leur matériel génétique est libre dans le cytoplasme formant un chromosome unique, circulaire. De nombreuses bactéries possèdent toutefois par ailleurs de petits brins d'ADN supplémentaires, également circulaires, appelés plasmides. Chez les eucaryotes au contraire, le matériel génétique, composé de plusieurs chromosomes en bâtonnet, est enfermé dans une structure appelée noyau, délimité par une double membrane, la membrane nucléaire. C'est sur cette différence fondamentale qu'ont été construits les mots eucaryote, « vrai noyau « et procaryote, « avant le noyau «. Par ailleurs, les cellules eucaryotes contiennent de grandes surfaces membranaires : toutes les fonctions cellulaires sont en effet compartimentées et réalisées par des structures spécialisées entourées chacune d'une membrane, les organites. 2.4 Cellules des plantes, des champignons et des animaux Les cellules des végétaux, des champignons et des animaux sont des eucaryotes très proches dans leur structure. Les différences se situent principalement au niveau de la paroi qui entoure (ou non) la membrane plasmique et de la présence ou absence de chloroplastes. Les cellules végétales sont ainsi entourées d'une paroi rigide de cellulose (molécule qui n'existe pas) et contiennent, outre tous les organites communs aux autres eucaryotes, des chloroplastes capables de réaliser la photosynthèse. Par ailleurs, leur cytoplasme est en grande partie occupé par une vaste vacuole. Les cellules des champignons sont entourées d'une paroi rigide de chitine (une protéine que l'on retrouve par exemple chez les insectes) ; leurs autres caractéristiques sont celles des cellules animales. Celles-ci, dépourvues de paroi, le sont également de chloroplastes. Les vacuoles sont petites et dispersées dans le cytoplasme. 3 ÉLÉMENTS STRUCTURAUX 3.1 Membrane plasmique La membrane plasmique est composée d'une double couche de lipides particuliers (phospholipides en majorité, mais aussi glycolipides et cholestérol) associés à des protéines et à des molécules de glucides. Les phospholipides qui forment la structure de base de la membrane plasmique sont composés de deux parties distinctes : une partie hydrophile (« qui aime l'eau «) et une partie hydrophobe (« qui repousse l'eau «) -- les phospholipides sont des molécules dites amphiphiles. Les phospholipides s'assemblent spontanément entre eux par leur partie hydrophile pour former une double couche, laissant les parties hydrophobes tournées vers l'extérieur. Les protéines insérées dans la bicouche lipidique sont responsables des fonctions de la membrane. Certaines la traversent de part en part on parle de protéines transmembranaires. D'autres, plus rares, ne sont associées qu'à l'une des deux couches lipidiques, interne ou externe. Les protéines qui affleurent du côté externe sont appelées protéines de surface. Dans les cellules eucaryotes, les protéines membranaires sont souvent liées, du côté externe, à des molécules de glucides (oligosaccharides ou polysaccharides). Ces glucides de surface joueraient un rôle dans la reconnaissance entre cellules. La membrane plasmique n'est pas une structure figée, mais fluide : les lipides et les protéines qui composent la bicouche diffusent en permanence de façon latérale. Plus rarement, les phospholipides peuvent également passer d'une couche à l'autre. 3.2 Cytoplasme Le cytoplasme, unique compartiment des cellules procaryotes et compartiment le plus vaste des cellules eucaryotes, est constitué d'un gel aqueux appelé cytosol parcouru par les fibres du cytosquelette et comprenant de nombreuses molécules en solution. Chez les eucaryotes, c'est également le compartiment qui renferme les organites. voir cytoplasme. 3.3 Organites des cellules eucaryotes Les cellules eucaryotes renferment des organites spécialisés, qui assurent la plupart des réactions biochimiques nécessaires à son fonctionnement. On peut distinguer plusieurs types d'organites : les organites impliqués dans les synthèses cellulaires (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi), ceux impliqués dans le catabolisme cellulaire, c'est-à-dire les dégradations des molécules (lysosome, peroxysome...), les organites produisant de l'énergie sous forme d'ATP et/ou des molécules organiques (mitochondries et chloroplastes) et enfin, le noyau cellulaire, qui renferme le matériel génétique. voir organite. 3.4 Matériel génétique et acides nucléiques Le matériel génétique de toutes les cellules, procaryotes et eucaryotes, est composé d'ADN (acide désoxyribonucléique), assemblé par compactage autour de protéines en chromosomes. C'est sur ces chromosomes que l'on trouve les gènes. Ceux-ci contrôlent la synthèse des protéines et, d'une façon plus générale, toutes les activités de la cellule. Une cellule contient également un autre acide nucléique indispensable à son fonctionnement, les ARN (acides ribonucléiques), dont il existe plusieurs types : l'ARN messager ou ARNm, qui permet la conversion du code génétique des gènes en protéines (c'est la traduction), l'ARN de transfert ou ARNt, qui apporte les acides aminés nécessaires à une chaîne protéique en cours d'élaboration, et l'ARN ribosomal ou ARNr, l'un des composants des ribosomes. 4 ACTIVITÉS CELLULAIRES 4.1 Métabolisme cellulaire 4.1.1 Synthèses cellulaires (anabolisme) Les synthèses cellulaires constituent la partie anabolisme du métabolisme cellulaire. Elles consistent en la fabrication de protéines, de glucides et de lipides à partir de leurs composants de base et d'énergie, généralement fournie sous forme d'ATP. Elles comprennent aussi la production de nouveaux brins d'ADN au cours des divisions cellulaires. La synthèse des protéines se fait en deux étapes : tout d'abord lecture du gène correspondant par une enzyme (l'ARN polymérase) qui élabore un brin complémentaire d'ARN messager ou ARNm (c'est la transcription), puis lecture de cet ARNm par des ribosomes qui fabriquent les chaînes protéiques (c'est la traduction). Chez les procaryotes, tout le processus de synthèse protéique se déroule dans le cytoplasme. Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau, et la traduction dans le cytoplasme. Des glucides sont souvent associés à des protéines au cours des étapes finales de la synthèse de celles-ci, pour donner des glycoprotéines, localisées en particulier au niveau des membranes cellulaires. La synthèse des lipides se fait au niveau du réticulum endoplasmique lisse ; des lipides et des glucides peuvent être associés, donnant des glycolipides qui entrent eux aussi dans la composition des membranes cellulaires. 4.1.2 Dégradations cellulaires (catabolisme) Une cellule est en renouvellement permanent. Les molécules « usées « sont dégradées et décomposées en leurs composants de base (acides aminés, sucres simples...), qui sont recyclées pour fabriquer de nouvelles molécules. Ces dégradations se font en majorité dans des organites spécialisés remplis d'enzymes, tels les lysosomes et les peroxysomes. 4.1.3 Production d'énergie L'énergie nécessaire aux activités de synthèses cellulaires est essentiellement fournie par les mitochondries grâce au phénomène de la respiration cellulaire, qui consiste en l'oxydation de molécules organiques. La chaîne de respiration fournit de l'ATP, molécule hautement énergétique intervenant dans la plupart des réactions de synthèse. L'origine des molécules organiques, qui sont la source première fournissant cette énergie, permet de distinguer deux grands types de cellules et d'organismes : -- les autotrophes fabriquent elles-mêmes leurs molécules organiques en utilisant l'énergie lumineuse ou chimique de leur environnement ; les végétaux, notamment, convertissent l'énergie du soleil en énergie chimique grâce à la photosynthèse réalisée par les chloroplastes ; -- les hétérotrophes puisent les molécules organiques dans leur milieu (alimentation), principalement par absorption chez les champignons et par ingestion chez les animaux. 4.2 Transports membranaires 4.2.1 Transport des ions et des molécules hydrosolubles La membrane plasmique, présentant de part et d'autre les parties hydrophobes des phospholipides, est imperméable. Les ions et les molécules hydrosolubles ne peuvent donc la traverser. Pour assurer le transport de ces molécules, la membrane plasmique comprend deux types de protéines spécialisées : les canaux et les protéines porteuses. Les canaux sont des pores dont les « parois « sont des assemblages de protéines ; ils sont ouverts en permanence. Les protéines porteuses sont des protéines de transport qui se fixent à une molécule d'un côté de la membrane et la font passer de l'autre coté. Lorsqu'elles transportent des molécules dans le sens contraire à leur diffusion naturelle (sens contraire au gradient de concentration), le mécanisme nécessite de l'énergie sous forme d'ATP. Ces dispositifs permettent à la cellule de maintenir des concentrations, d'ions ou de petites molécules, différentes de celles du milieu environnant. 4.2.2 Transport des macromolécules Les macromolécules (protéines, glucides, lipides) sont trop grosses pour être prises en charge par les transporteurs de la membrane. Leur transport se fait par l'intermédiaire de vésicules membranaires : ce sont les phénomène d'exocytose (qui assure la sortie des macromolécules de la cellule) et d'endocytose (entrée des molécules). 4.2.2.1 Exocytose Un échange continuel de matériaux se produit entre le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi. Là, les molécules sont triées et envoyées vers leur destination finale par des vésicules membranaires. Certaines sont des molécules de sécrétion : elles fusionnent avec la membrane plasmique et libèrent leur contenu dans le milieu extérieur, c'est l'exocytose. 4.2.2.2 Endocytose À la surface de la cellule, des portions de la membrane plasmique s'invaginent continuellement vers l'intérieur, formant dans le cytoplasme des vésicules d'endocytose. Ce mécanisme permet à la cellule de capturer diverses substances et molécules du milieu extérieur. La phagocytose, réalisée par des cellules spécialisées, est une forme d'endocytose. Elle permet à la cellule d'ingérer des particules de grande taille, voire des cellules entières. La pinocytose, quant à elle, permet l'intégration de petites gouttelettes de liquide du milieu extérieur. 4.3 Communications cellulaires Pour former un organisme pluricellulaire fonctionnel, les cellules, réunies en tissus spécialisés, doivent être jointes les unes aux autres et communiquer entre elles. Chez les plantes supérieures, les cellules sont reliées entre elles par des ponts cytoplasmiques (appelés plasmodesmes) qui traversent la paroi cellulosique et autorisent le passage de diverses molécules, dont les hormones végétales. Les cellules de la plupart des animaux sont liées par un réseau de grandes molécules organiques (appelé matrice extracellulaire) et par adhésion entre les membranes plasmiques. Les systèmes de communications cellulaires, complexes, mettent en particulier en jeu des récepteurs insérés dans la membrane cellulaire, sur lesquels des molécules « signaux « se fixent, induisant une réponse intracellulaire (le plus souvent une cascade de réactions biochimiques). Parmi ces molécules figurent notamment les neurotransmetteurs (ou neuromédiateurs) et les hormones. 5 DIVISIONS CELLULAIRES 5.1 Mitose La « reproduction « (en fait la multiplication) des organismes unicellulaires, et la croissance et l'entretien des organismes pluricellulaires impliquent la création de nouvelles cellules -- de même que leurs composants, les cellules d'un organisme se renouvellent en permanence -- à partir des cellules existantes, et qui doivent avoir le même patrimoine génétique. Le processus de division cellulaire impliqué est la mitose. Pour une présentation complète de ce mécanisme, voir l'article mitose. 5.2 Méiose Chez les organismes pluricellulaires qui pratiquent la reproduction sexuée, un autre type de division cellulaire est impliqué : la méiose. Celle-ci permet la formation des cellules sexuelles (gamètes) à partir de cellules dites germinales. Elle se fait par deux divisions cellulaires successives particulières, pour donner des cellules ne possédant qu'un seul exemplaire de chaque chromosome. Pour une présentation complète de ce mécanisme fondamental de la reproduction sexuée, voir l'article méiose. 6 DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE La différenciation cellulaire ne concerne que les organismes pluricellulaires. Elle a pour conséquence de produire des cellules aux fonctions précises et spécialisées (généralement agencées en tissus et en organes), souvent différentes sur le plan morphologique. Les neurones, par exemple, sont des cellules souvent polygonales et dotées de longs prolongements cytoplasmiques ; ils sont spécialisés dans la transmission de l'influx nerveux. Les kératinocytes de l'épiderme synthétisent de la kératine, certaines cellules du pancréas de l'insuline, etc. Cependant, derrière d'importantes différences de forme et de fonction, toutes les cellules d'un organisme donné renferment le même génome et les mêmes informations génétiques. La différenciation cellulaire ne se fait en effet pas par suppression de l'information génétique qui n'est pas nécessaire à la cellule, mais par inactivation des gènes correspondants. Ainsi, dans toute cellule, certains gènes sont inactivés (« éteints «), d'autres activés (« allumés «). Diverses molécules jouent le rôle d'« interrupteur « en se fixant (ou pas), sur des séquences d'ADN spécifiques situées de part et d'autre des gènes. Durant les tout premiers stades du développement d'un embryon, chacune des cellules souches qui le constituent est capable de devenir n'importe quel type cellulaire spécialisé (ces cellules sont dites totipotentes). Lorsqu'une cellule est engagée sur la voie de la différenciation, le phénomène est réversible durant les premiers stades, mais devient ensuite irréversible. Une cellule entièrement différenciée ne peut pas revenir au stade embryonnaire ni se transformer en un autre type de cellule. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.