La cellule eucaryote

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La cellule eucaryote
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La cellule est la plus petite unité de la matière vivante. Nous allons donc commencer par
décrire la composition chimique de cette matière vivante.
I. c
oMPoSItIoN cHIMIQue De La MatIÈre VIVaNte
Les composés chimiques constituant la matière vivante peuvent se répartir en deux grandes
catégories :
 Les composés organiques, c’est-à-dire constitués d’atomes de carbones. Il s’agit des
glucides (voir chapitre 7, p. 197), des lipides (voir chapitre 8, p. 225), des protides (voir
chapitre 9, p. 257) et des composés nucléiques (voir chapitre 3, p. 57).
 Les composés inorganiques, c’est-à-dire sans atomes de carbones. Il s’agit de l’eau (H2O)
et des minéraux.
A. L’eau
Chez l’Homme, l’eau représente environ 65 % du poids corporel (c’est-à-dire à peu près 40 l
pour une personne de 70 kg), un peu plus chez un enfant (environ 70 %), et un peu moins
chez la personne âgée (environ 50 %). Selon les tissus considérés, on la retrouve dans des
proportions différentes :
 Sang : 83 %
 Cerveau : 80 %
 Muscle : 75 %
 Tissu osseux : 40 à 60 %
 Tissu adipeux : 15 à 35 %
Il en est de même pour les aliments :
 Melon : 95 %
 Laitue : 95 %
 Carotte : 85 %
 Pomme de terre : 78 %
 Blé : 70 %
 Jaune d’œuf : 75 %
 Poisson : 80 %
1. Structure et polarité de l’eau
L’eau est composée de 2 atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène. Elle est globalement
neutre, mais également polaire. C’est-à-dire qu’elle présente une charge électrique partielle
négative, notée δ–, sur l’atome d’oxygène, et une charge électrique partielle positive, notée
δ+, sur chaque atome d’hydrogène (Figure 1).
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Biologie
À cause de cette polarité, à l’état liquide, les molécules d’eau adjacentes peuvent former des
liaisons hydrogène, liaisons entre deux charges opposées (Figure 1).
HH
δ
+
Oδ
–
Hδ
+
Hδ
+
Oδ
–
Hδ
+
Hδ
+
δ
+
O
δ
–
Oδ
–
Hδ
+
Hδ
+
Hδ
+
Oδ
–
Hδ
+
une molécule d’eau polaire
liaison hydrogène entre charges partielles opposées
Figure 1 Structure de l’eau, une molécule polaire
À l’état liquide, ces liaisons varient constamment, car les molécules d’eau se déplacent.
Par contre, à l’état solide lorsque l’on baisse la température (0 °C), les molécules d’eau ne
peuvent plus se déplacer, les liaisons hydrogène se stabilisent, et la structure se fi ge en posi-
tion cristalline. Enfi n, lorsque l’on augmente la température (100 °C), l’énergie thermique
entraîne une forte agitation des molécules. Celle-ci va alors provoquer la rupture des liaisons
hydrogènes ; l’eau est alors à l’état gazeux sous forme de vapeur.
2. Rôles biologiques
Solvant biologique
L’eau assure la dissociation et la dispersion de certaines substances. Ces substances qui
se dissolvent facilement dans l’eau sont dites hydrophiles. Elles sont composées d’ions ou
de molécules polaires, qui attirent les molécules d’eau par l’effet de leur charge électrique.
Les molécules d’eau vont alors entourer chaque ion ou molécule polaire à la surface d’une
substance solide, et les mettre en solution. Ces ions ou molécules sont dits solubles en
solvant aqueux.
Prenons l’exemple du sel de cuisine, le chlorure de Sodium (NaCl). Les molécules d’eau vont
entourer les ions sodium (Na+) et chlorure (Cl–) provoquant leur dissociation, et donc leur
mise en solution (Figure 2).
HH
O
O
Na+
HH
H
H
O O
H
H
Chlorure de sodium
(en solution)
HH
O
Cl–
Na
Chlorure de sodium
(solide)
eau
Cl δ
–
δ
+
δ
+
H
HO
δ
+
δ
+
H
H
O
δ
+
δ
+
δ
–
δ
–
Figure 2 Exemple d’une substance hydrophile et soluble en milieu aqueux, le NaCl
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La cellule eucaryote
Les molécules qui contiennent une prépondérance de liaisons non polaires (non électrosta-
tiques), comme par exemple un groupement aliphatique (groupement composé uniquement
d’atomes de carbone et d’hydrogène), sont insolubles dans l’eau. Elles sont dites hydro-
phobes.
Grâce à cette propriété de l’eau, l’eau biologique est utilisée comme milieu de transport
pour les molécules solubles (par exemple, l’eau contenue dans le sang permet le transport
du glucose).
Réactif dans les réactions biochimiques d’hydrolyse
L’eau va être utilisée comme réactif dans les réactions d’hydrolyse permettant de rompre
une liaison entre deux composés d’une substance telle que :
A—B + H2O → A—OH + B—H
Par exemple, lors de la digestion, il va y avoir hydrolyse d’un glucide, le saccharose, tel que :
Saccharose + H2O → glucose + fructose
Protection mécanique
Elle joue le rôle de lubrifiant dans les mucus, ou bien encore d’amortisseur mécanique. Par
exemple, le liquide céphalorachidien protège le cerveau et la moelle épinière des chocs.
Thermorégulateur
Par exemple, lors d’un effort physique, les muscles libèrent de l’énergie thermique. L’eau va
la répartir dans tout l’organisme, et l’évacuer au niveau cutané grâce à la sudation.
B. Les minéraux
Dans l’organisme, les minéraux sont présents sous forme d’électrolyte, c’est-à-dire sous
forme ionique, dans les liquides biologiques ou sous la forme de cristaux, comme par
exemple le phosphore et le calcium au niveau du tissu osseux.
On distingue trois grands types de minéraux en fonction de leur quantité dans l’organisme :
Les macro-éléments
Un macro-élément est un minéral qui, chez un homme de 70 kg, représente plus de
10 grammes. Il s’agit du :
 Calcium (Ca), 1 000 g
 Phosphore (P), 780 g
 Potassium (K), 200 g
 Soufre (S), 200 g
 Sodium (Na), 100 g
 Chlore (Cl), 100 g
 Magnésium (Mg), 20 g
(Moyen mnémotechnique : « Catherine Pèse 50 Kg Sans sel (NaCl) et sans Manger »).
Les micro-éléments
Un micro-élément est un minéral qui, chez un homme de 70 kg, représente entre 1 mg et
10 g. Il s’agit de l’iode (I), du fluor (F), du fer (Fe), du zinc (Zn) et du brome (Br).
(Moyen mnémotechnique : « Ils font faire un zinc en brome »).
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Biologie
Les oligoéléments
Un oligoélément est un minéral qui, chez un homme de 70 kg, représente moins de 1 mg.
Il s’agit de Molybdène (Mo), du manganèse (Mn), du chrome (Cr), de l’étain (Sn), du cuivre
(Cu), du cobalt (Co) et du silicium (Si).
(Moyen mnémotechnique : « Monsieur Manganèse Croit avoir éteint la Cuisine Comme d’habi-
tude, Six fois aujourd’hui »).
Tous ses éléments jouent des rôles importants dans l’organisme sous forme d’électrolytes.
Par exemple :
 Le Ca2+, dans de la contraction musculaire,
 Le Fe2+, dans le transport du dioxygène,
 Le Na+, K+ et Cl-, dans la transmission nerveuse,
 Le Fe2+, Mg2+, Cu2+ et Zn2+, comme cofacteur enzymatique.
II. L
a ceLLuLe eucaryote
La cellule est donc la plus petite unité de la matière vivante, c’est-à-dire la plus petite
unité structurale et fonctionnelle du monde vivant. Elle est donc dotée d’un métabolisme
(Ensemble des transformations moléculaires et énergétiques permettant le fonctionnement
cellulaire) permettant sa croissance, et est capable de se reproduire.
Il existe deux types de cellules : les cellules eucaryotes, « avec noyau » et les cellules proca-
ryotes, « sans noyau » (voir chapitre 17, p. 439).
Les organismes peuvent être unicellulaire (une cellule) ou pluricellulaire (des milliers voire
plus, de cellules. L’Homme possède 6.1013 cellules). Dans ce dernier cas, les cellules sont
alors différenciées, et spécialisées dans une fonction biologique particulière. Les cellules spé-
cialisées dans une même fonction forment un tissu (Exemple : les ostéoblastes, ostéocytes
et ostéoclastes forme le tissu osseux), et un ensemble de tissus dont les fonctions sont
complémentaires forme un organe. Enfin, les organes concourant à une même fonction (de
nutrition, de reproduction, ou de communication) sont rassemblés en système (Exemple :
la bouche, l’œsophage, l’estomac, le pancréas, le foie, la vésicule biliaire, l’intestin et le
côlon forment le système digestif). Il en existe 11 principaux : les systèmes tégumentaire,
squelettique, musculaire, nerveux, endocrinien, cardiovasculaire, lymphatique, respiratoire,
digestif, urinaire et reproducteur.
A. Ultrastructure de la cellule eucaryote
La cellule est limitée par une membrane, la membrane plasmique ou cellulaire, qui constitue
une frontière physique, mais également un médiateur des échanges entre le milieu extracel-
lulaire et le compartiment intracellulaire.
Elle contient le noyau, « ordonnateur » de toutes les fonctions biologiques, qui contient le
matériel génétique, et le cytoplasme, « salle des machines » de l’activité cellulaire. Ce dernier
est constitué d’une substance fondamentale, le cytosol ou hyaloplasme, siège du métabo-
lisme, dans lequel baignent les éléments de la cellule, les organites, structures spécialisées
dans des fonctions particulières, délimitées du reste de la cellule par un système membra-
naire, et des inclusions inertes (produits de réserve comme par exemple, les rosettes de
glycogène, déchets).
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La cellule eucaryote
L’ultrastructure de la cellule eucaryote, avec ses principaux organites et les différenciations
typiques, est présentée dans la Figure 3, à l’aide d’une représentation schématique de la
cellule épithéliale (cellule composant le tissu épithélial, tissu où les cellules sont jointives).
cytosol
ribosome
vésicule golgienne
glycocalix
microvillosité
vésicule d’exocytose
espace intercellulaire
cil vésicule d’endocytose
hémidesmosome
jonction communicante
rosette de glycogène
(inclusion de réserve)
desmosome
polysome
réticulum
endoplasmique
rugueux (RER)
appareil de Golgi
mitochondrie
noyau
jonction serrée
réticulum
endoplasmique
lisse (REL)
centriole
cytosquelette
lysosome
peroxysome
lame basale
Figure 3 Ultrastructure de la cellule eucaryote ; exemple de la cellule épithéliale
B. La membrane plasmique
1. Structure
Lorsqu’on l’observe au MET, il apparaît une structure tripartite. On visualise deux feuillets
sombres de 2 nm séparés par un espace clair. Cette structure tri-feuilletée repose sur son
constituant principal, le phospholipide (voir chapitre 8, p. 225). La membrane plasmique est
en fait une bicouche phospholipidique (Figure 4). Ce lipide possède deux régions distinctes
par leur comportement par rapport à l’eau. Il présente une région hydrophile, que l’on nomme
« tête hydrophile » et une région hydrophobe, que l’on nomme « queues hydrophobes ». De
par cette propriété, les têtes vont donc s’orienter vers les milieux extra- et intracellulaire
(milieux aqueux), et les queues, vers l’intérieur de cette structure, au centre, pour éviter au
maximum le contact avec l’eau. Les deux feuillets sombres correspondent donc aux têtes, et
l’espace clair aux queues des phospholipides (Figure 4).
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