3. Le noyau cellulaire.

14 Étude de la
cellule vivante.
Tu dois devenir capable de :
Savoir
1. expliquer la structure des différents organites cités dans
ces pages ;
2. explique le rôle de chacun des organites cellulaire présentés dans ces pages ;
3. expliquer l’intérêt du phénomène de mitose ;
4. citer et commenter les étapes de la mitose en dessinant
des schémas ;
Savoir faire
1. reconnaître chacun des organites présentés dans
cette page à partir de photos faites au microscope
électronique et en justifiant ;
2. Comparer la mitochondrie au chloroplaste ;
3. reconnaître les différentes étapes de la mitose à partir
des schémas correspondants.
membrane cytoplasmique
cytoplasme
noyau cellulaire
transport passif
transport actif
endocytose
phagocytose
pinocytose
pompe à ions
réticulum endoplasmique
corps de Golgi
ditctyosome
lysosome
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mitochondrie
chloroplaste
centrioles
centrosome
pore nucléaire
interphase
prophase
métaphase
anaphase
télophase
plaque métaphasique
caryotype
chromosome
- 117 -
Étude de la cellule
Vue au microscope optique, la cellule vivant semble être
subdivisée en trois compartiments essentiels :

la membrane cytoplasmique ;

le cytoplasme avec tous les organites qu’il contient ;

le noyau cellulaire.
Le microscope électronique permet d’affiner cette perception en mettant en évidence toutes sortes d’organites
invisibles au microscope optique.
1. La membrane cellulaire.
1.1. Structure.
Vue au microscope électronique, la membrane cytoplasmique
semble formée d’une structure en deux couches.
L’analyse chimique des membranes montre qu’elles sont
essentiellement formées de molécules de lipides et de molécules de protides. Quelques substances annexes sont
également détectées (des glucides).
Tout au long de l’histoire de la cytologie, différents modèles ont
été proposés pour la membrane cytoplasmique. Le modèle le
plus communément accepté actuellement fait état d’une double
couche de molécules de lipides, disposées tête-bêches, dans
lesquelles viennent s’enchâsser des molécules de protides.
Ce modèle a été proposé par Singer et
Nicholson en 1972 et reste généralement accepté aujourd’hui.
1.2. Rôles.
La membrane cytoplasmique
différents rôles. Nous citerons :
joue
1. limite physique de la cellule ;
2. le transport passif de substances de part et d’autres de
la membrane ;
3. le transport actif de substances ;
4. l’absorption et la résorption d’objets volumineux ;
5. carte d’identité de la cellule ;
6. récepteur de signaux.
- 118 -
582692310
Étude de la cellule
1.2.1. Transport passif de substances.
Ce rôle a déjà été évoqué lors de l’étude de
l’assimilation des aliments.
Avant
Après
La nature « n’aime pas » les déséquilibres.
Lorsque l’extérieur d’une cellule connaît une
concentration plus grande en une certaine
substance que l’extérieur, ces concentrations
tendent à s’équilibrer autour d’une valeur
commune.
Ce phénomène baptisé « osmose » se déroule sans aucune intervention de la cellule.
C’est la raison pour laquelle on parle de
transport passif.
Membrane
Membrane
1.2.2. Transport actif de substances.
Ce rôle a déjà été évoqué lors de l’étude de l’assimilation des
aliments.
La membrane cytoplasmique est capable de choisir sélectivement
certaines substances et leur faire traverser la double couche de
lipides. Il existe, pour ce faire, des molécules de protéines qui
jouent le rôle de « pompes » dans la membrane.
En faisant entrer ou en faisant sortir des substances dans/de la
cellule, la membrane agit contre la tendance naturelle à l’équilibre.
Elle doit donc dépenser de l’énergie qui lui est fourni par
l’intermédiaire de l’ATP (adénosine triphosphate), molécule énergétique disponible dans la cellule.
Puisque ce mécanisme de transport
demande une dépense d’énergie, on
parle de transport actif.
Les pompes à ions, présentes dans la
membrane cellulaire, sont responsables du maintien d’un excès de
concentration en ions K+ à l’intérieur
de la cellule et d’un excès d’ions Na+ à
l’extérieur de la cellule.
Le cours de biologie de cinquième
montrera l’importance des pompes à
ions dans la conduction de l’influx
nerveux par les cellules du système
nerveux.
Si la cellule ne dispose plus d’énergie
pour faire fonctionner les pompes
responsables du transport actif, ces
pompes s’arrêtent et la cellule meurt.
1.2.3. Absorption de corps volumineux : l’endocytose.
Les transports actifs et passifs permettent le passage de molécules ou d’ions, un à un, au travers de
la membrane.
582692310
- 119 -
Étude de la cellule
Dans certains cas, les cellules absorbent des corps plus volumineux : gouttelettes de liquide, objets
solides. Dans ce cas, le mécanisme d’entrée dans la cellule est différent. On parle alors d’endocytose.
L’illustration ci-contre
présente un globule
blanc ingérant une
bactérie (bâtonnet à
gauche de l’image).
On
remarque
la
déformation extrême
de
la
membrane
autour de la bactérie.
Les
différentes
étapes du processus
sont illustrées sur les
schémas ci-dessous.
On voit la membrane
cytoplasmique
se
déformer progressivement, jusqu’à englober la bactérie.
A la fin, la bactérie se trouve prise dans une vésicule dont la membrane est formée d’un fragment de
la membrane cytoplasmique ; il s’agit d’une vacuole digestive, dans laquelle le corps étranger va être
digéré.
Le phénomène d’endocytose peut concerner

les substances solides ; on parle alors de phagocytose

les substances liquides ; on parle alors de pinocytose.
1.2.4. Le rejet de corps volumineux de la cellule : l’exocytose.
L’exocytose ne se produit pas exactement comme une endocytose à l’envers, mais, dans une certaine
mesure, les deux phénomènes sont effectivement inverses.
Lors de l’exocytose, une vacuole rejoint la membrane cytoplasmique, fusionne avec cette membrane
et rejette son contenu à l’extérieur de la cellule.
1.2.5. Carte d’identité cellulaire.
Chaque cellule présente sur sa membrane cytoplasmique certaines molécules qui
lui sont caractéristiques : ce sont essentiellement les protéines et les glycoprotéines disposées à la surface.
Ainsi, le globules rouges présentent à leur surface des molécules relativement
caractéristiques. On connaît par exemple, assez bien, les molécules qui confèrent
à leur porteur le groupe sanguin A. Une autre molécule, un peu différente, confère
le groupe sanguin B. Les personnes qui portent les deux molécules sont alors du
groupe sanguin AB. Celles qui ne portent ni l’une, ni l’autre est de groupe sanguin
O.
Un grand nombre d’autres molécules caractéristiques existent encore. Au total,
- 120 -
582692310
Étude de la cellule
elles permettent à chaque individu de reconnaître les cellules qui lui appartiennent de celles qui ne lui
appartiennent pas. Ce mécanisme est très important dans la lutte contre les microbes, par exemple.
1.2.6. Récepteur des signaux extérieurs.
La membrane cytoplasmique porte des « récepteurs »
spécifiques de certaines molécules signaux.
La fixation de la molécule « signal » sur le récepteur, provoque des événements particuliers dans la cellule : fabrication d’une substance, sécrétion d’une substance, etc.
Les molécules « signal » sont très spécifiques : chaque récepteur a son signal comme
une clef s’adapte (en principe) à une seule serrure.
Les hormones constituent un type de signal susceptible de provoquer différentes
actions dans les cellules qui les reçoivent.
2. Les organites du cytoplasme.
Le cytoplasme contient un grand nombre d’organites qui participent à la vie de la
cellule.
2.1. Le réticulum endoplasmique.
2.1.1. Structure.
Le réticulum endoplasmique
(RE) est formé d’un réseau de
tubules et de saccules qui
s’étend de la membrane
nucléaire à l’ensemble du
cytoplasme.
La photo ci-contre présente un
noyau cellulaire et une partie
du réticulum endoplasmique
qui l’entoure.
Le schéma ci-dessous nous
rappelle que le RE est une
structure en trois dimensions
qui ne présente l’aspect d’un
labyrinthe que parce qu’il a subi une coupe pour permettre l’observation.
Comme le montre le croquis, certaines parties du
réticulum endoplasmique sont lisses et d’autres sont
recouvertes de granules, les ribosomes, qui lui confèrent un aspect granuleux. On distinguera donc :

le réticulum endoplasmique lisse (REL) et

le réticulum endoplasmique rugueux (RER).
2.1.2. Rôles.
Le REL joue un rôle dans la synthèse des lipides, et
dans le catabolisme des glucides complexes.
Grâce aux ribosomes qu’il porte, le RER est le siège
de la synthèse des protéines par la cellule. Ces protéines sont « emballées » dans des petites vé-
582692310
- 121 -
Étude de la cellule
sicules qui sont dirigées vers un autre organite, spécialisé dans le stockage et le parachèvement
des molécules : le corps de Golgi.
2.2. Le corps de Golgi.
2.2.1. Structure.
L'appareil de Golgi est formé d'un ensemble de sous-structures appelées « dictyosomes ».
L'illustration ci-contre présente du réticulum endoplasmique rugueux (RER) dans le haut de
l’image. On distingue des vésicules qui emportent des molécules de protéines qui y sont fabriquées.
Un dictyosome occupe le bas de l’image. Il est formé d'un empilement de saccules, délimités par
une membrane du même type que la membrane du réticulum endoplasmique.
Ces saccules sont incurvés; c'est ce qui donne
au dictyosome sa forme caractéristique.
L'extrémité de chaque saccule tend à « s'effilocher » sous la forme de petites vésicules qui
s'éloignent du dictyosome.
2.2.2. Rôles.
L’appareil de Golgi peut être vu comme un lieu
de stockage, de parachèvement et de livraison
des substances qui y sont conduites.
Les vésicules quittant les saccules d’un dictyosome s’en vont rejoindre la membrane cytoplasmique où elles peuvent intervenir dans
l’exocytose. Elles peuvent également rejoindre
les lysosomes qui interviennent dans la digestion cellulaire.
2.3. Les lysosomes.
Les lysosomes sont des organites de
petite taille, bordés d'une membrane et
qui contiennent des enzymes. Celles-ci
sont capables de catalyser les réactions
de dégradation des molécules organiques dans la cellule: protides, glucides, lipides et acides nucléiques
(ADN, ARN). : ce sont des enzymes
digestives.
2.4. Les organites convertisseurs d’énergie de la cellule.
Deux organites principaux assurent un rôle énergétique dans la cellule : les mitochondries et les
chloroplastes (dans les cellules végétales).
2.4.1. Les mitochondries.
- 122 -
582692310
Étude de la cellule
Les mitochondries sont limitées par une double membrane. La membrane interne fait des replis vers l’intérieur de la mitochondrie
dans le sens de la largeur de l’organite.
Chacun de ces replis appelés « crêtes mitochondriales » est tapissé de molécules d’enzymes.
Ces enzymes interviennent dans le processus
biochimique de la respiration cellulaire dont
l’équation chimique globale pourrait s’écrire :
C6H12O6 + 6 O2  6 CO2 + 6 H2O + Énergie
En réalité, le phénomène est beaucoup plus
complexe que l’équation globale ci-dessus pourrait
le laisser penser. La respiration se déroule en un
grand
nombre d’étapes dont certaines, seulement, se
passent dans la mitochondrie.
Sur l’illustration ci-contre, une mitochondrie est
vue en coupe. Quel autre organite cellulaire est
également visible ? Est-il possible de préciser de
quel type il est ?
2.4.2. Les chloroplastes.
Les chloroplastes ne se trouvent que dans les cellules végétales.
Leur structure présente quelques similitudes avec
la structure des mitochondries.
Les chloroplastes
sont également
bordés par une
double
membrane dont la
plus interne fait
des replis vers
l’intérieur.
Dans
le
cas
présent, les replis
se font dans le sens de la longueur de l’organite.
Ces replis portent des empilements de saccules appelés grana
(pluriel de granum). Ces grana contiennent la chlorophylle (détail sur
la photo ci-contre).
Les chloroplastes ont donc pour rôle de réaliser la photosynthèse
selon la réaction d’équation chimique globale bien connue :
6 CO2 + 6 H2O + Énergie lumineuse  C6H12O6 + 6 O2
3. Le noyau cellulaire.
Le noyau cellulaire contient la plupart des informations nécessaires à la vie de la cellule. Toutes ces
informations doivent se retrouver dans les cellules issues de la division. Un mécanisme relativement
complexe permet à ces informations de se retrouver dans les deux cellules filles: c’est la mitose.
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Étude de la cellule
3.1. Structure du noyau cellulaire.
La cellule est une mécanique extrêmement fine et précise;
toutes les tâches qu'elle doit pouvoir remplir sont complexes. Pour diriger ces tâches, il faut un centre de commande très perfectionné: c'est le noyau cellulaire.
Trônant souvent au centre de la cellule, le noyau est
entouré par la membrane nucléaire.
La membrane nucléaire est
percée de pores qui permettent à certaines substances
d'entrer et de sortir du noyau.
Dans le noyau au repos, on
trouve une substance diffuse,
sans structure particulière:
c'est la chromatine.
Dans la chromatine, on
trouve souvent un ou plusieurs granules plus denses:
les nucléoles.
A proximité du noyau des
cellules animales, on distingue difficilement un petit organite formé de deux petits tonnelets disposés à 90° l'un par rapport à l'autre : c'est le centrosome
qui est formé de deux centrioles (les tonnelets). Dans la photo cicontre, l’un des centrioles est coupé dans le sens de la hauteur et
l’autre est coupé dans le sens de la longueur.
3.2. Rôles du noyau.
Le noyau est le centre
de commande de la
cellule: c'est là que se
trouvent tous les plans
de construction des
substances que la
cellule doit pouvoir
fabriquer: enzymes digestives, protéines sécrétoires, ...
Les plans de construction des protéines sont dans la chromatine; celle-ci est constituée essentiellement de protéines
associées à une matière très particulière: l'A.D.N.. Il s'agit
de molécules très complexes dans laquelle sont codés les
plans de construction; certains organites de la cellule sont
capables de lire les molécules d'A.D.N.
3.3. La mitose: multiplication ou division cellulaire.
Lorsqu'une plante, un animal ou un être humain grandit, le nombre de cellules qu'il contient augmente.
Pour cela, les cellules vont se diviser en deux cellules identiques qui pourront, plus tard, se diviser à
leur tour, et ainsi de suite jusqu'à la fin de la croissance de l'être vivant. On voit donc que la division
cellulaire mène à une multiplication du nombre de cellules.
- 124 -
582692310
Étude de la cellule
Pour qu'une cellule se divise, chacune des deux cellules issues de la division (les cellules filles) reçoit
la moitié des organites présents dans la cellule de départ. Mais, le problème est plus complexe pour le
noyau cellulaire: il n'y en a qu'un et il contient des informations que les deux cellules filles doivent
posséder. Si le noyau est simplement coupé en deux, chacune des cellules filles possédera seulement la moitié des plans nécessaires à la vie de la cellule.
Il faut donc un mécanisme plus complexe pour assurer une division équitable du noyau: c'est la mitose. On distingue, au point de vue de la division cellulaire, cinq phases différentes dans la vie de la
cellule. La durée de chacune des phases est très variables. Les temps indiqués plus bas ne sont que
des indications.
3.3.1. L'interphase.
unités arbitraires
quantité d’A.D.N.
3
2
2
L'interphase ne fait pas vraiment partie de
la mitose: il s'agit en fait de la période
entre deux divisions cellulaires et durant
laquelle la cellule se prépare à se diviser.
1
4
1
2
1
3
I
M
4
temps
0
0
1
2
3
4
6
Le graphique ci-dessus indique la quantité d’A.D.N. pré5
sent dans une cellule en fonction du temps. Explique
chacune des quatre zones de ce graphique. Durant quelle
période se fait la recopie des plans ? A quel moment se Rétablis la légende de ce schéma.
fait la division cellulaire ? Reconstitue la légende du
schéma de la cellule en interphase ci-contre.
Une étape cruciale de la division cellulaire est le partage de l'A.D.N. de manière à ce que les deux
cellules filles disposent de tous les plans. Il faut donc réaliser une copie complète de tous les plans
originaux, c'est-à-dire de l'A.D.N.. En fin d'interphase (juste avant la division cellulaire), la cellule
double sa quantité d'A.D.N.: la chromatine devient plus dense.
1) La prophase.
b
a
c
2. le centrosome se dédouble (la cellule contient maintenant 4
centrioles) et chacun des centrosomes commence à migrer le long
de l'ancienne membrane nucléaire pour rejoindre un pôle du noyau;
entre les deux centrosomes, des fibres s'étirent formant une sorte de
fuseau;
d
La première phase de la mitose proprement dite est la prophase. C'est aussi la phase durant laquelle se passe le plus
grand nombre d'événements.
1. la membrane nucléaire commence à s'effacer;
e
3. la chromatine se transforme laissant apparaître des structures bien
définies qui ont vaguement la forme d'un X: les chromosomes; ceux-ci portent les plans contenus
dans le noyau: les molécules d'A.D.N.
4. les nucléoles disparaissent.
582692310
- 125 -
Étude de la cellule
3.3.2. La métaphase.
Lors de la métaphase, les chromosomes se groupent à
l'équateur de l'ancien noyau; ils forment une masse dense
appelée plaque équatoriale. Les chromosomes sont fixés
par leur centromère à une fibre du fuseau qui relie les deux
centrosomes. C'est en métaphase que les chromosomes
sont le mieux visibles.
3.3.3. L'anaphase.
C'est durant l'anaphase que se déroule le partage de l'A.D.N.. Chacun
des chromosomes va être cassé en
deux au niveau du centromère et
chaque chromatide est tiré par
une fibre vers un centrosome situé à l'un des pôles de la cellule. Le mouvement est assez rapide.
3.3.4. La télophase.
La télophase est la dernière
phase de la mitose au cours de
laquelle les deux cellules filles se
partagent les organites de la cellule
mère. On peut résumer la télophase en
disant qu'il s'y déroule les événements inverses de la prophase.
1. la membrane nucléaire réapparaît autour de chacun
des lots de chromosomes.
2. les chromosomes disparaissent: ils se retransforment
en chromatine
3. les nucléoles réapparaissent.
4. une nouvelle membrane cytoplasmique apparaît entre
les deux cellules filles.
3.3.5. A propos des chromosomes.
1
1
Les chromosomes ont généralement une forme qui rappelle la lettre X; chaque
chromosome est formé de deux chromatides reliés en un point appelé centromère.
Les deux chromatides portent un certain nombre de bandes qui permet de distinguer
des chromosomes semblables.
2
Certaines maladies sont liées à des anomalies des chromosomes. Pour poser le
3
diagnostic, il faut pouvoir observer ces chromosomes; c’est durant la métaphase qu’ils
sont le plus facilement visibles. La vue de l’ensemble des chromosomes s’appelle le
caryotype. Tous les êtres vivants de type moyen de la même espèce sont caractérisés par
le même caryotype. Pour l’établir, on photographie l’ensemble des chromosomes durant
une métaphase; à partir de la photo, on classe ces chromosomes.
- 126 -
582692310
Étude de la cellule
Dans toutes les cellules (sauf les ovules et les
spermatozoïdes), le nombre de chromosomes
est toujours pair. Quand on examine l'ensemble des chromosomes d'une cellule, on
remarque qu'à chaque chromosome correspond toujours un autre chromosome parfaitement semblable au premier; on parle d'une
paire de chromosomes homologues.
Le nombre de chromosomes dans une cellule
est toujours le même pour une espèce donnée; chez l'être humain, ce nombre est toujours de 46 chromosomes (disposés en 23
paires), chez le chimpanzé et le gorille, on
trouve 48 chromosomes, chez la grenouille 26.
4. Informations supplémentaires.
Quelques informations supplémentaires, des
photos de microscopie à reconnaître, des
exercices, etc. à l’adresse web
http://home.worldonline.be/~mairesse/cours/cell/index.htm
accessible depuis l’école.
Possibilité d’obtenir ces documents sur CD-ROM (en échange d’un CD vierge).
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