chap1-théorie cellul..

CHAPITRE 1
La théorie cellulaire
1. Conception ancienne et moderne
2. La théorie cellulaire
3. Taille des cellules
4. Les atomes et les molécules
4.1 Les atomes
4.2 Les molécules
4.3 Les molécules organiques
« Il y a plus de choses dans le ciel et sur terre, Horatio, que ta philosophie
n’en pourrait concevoir »
Shakespeare, Hamlet
Chapitre 1
Objectifs
À la fin de ce module vous serez en mesure de :
1. Discuter de la conception moderne matérialiste de la vie par rapport aux
conceptions anciennes vitalistes.
2. Expliquer la théorie cellulaire.
3. Expliquer en quoi la théorie cellulaire a bouleversé la notion du vivant à
l’époque où elle a été émise.
4. Énoncez, en µm et mm, la taille des cellules humaines.
5. Expliquer pourquoi la vie ne pourrait probablement pas exister sans le carbone.
6. Énoncer les principales différences entre cellules procaryotes et cellules eucaryotes.
I-2
1 CONCEPTION ANCIENNE ET CONCEPTION
MODERNE
"Tout ce qui est généralement commun
aux végétaux et aux animaux comme
toutes les facultés qui sont propres à
chacun de ces êtres sans exception, doit
constituer l'unique et vaste objet d'une
science particulière qui n'est pas encore
fondée, qui n'a même pas de nom, et à
laquelle je donnerai le nom de biologie."
Jean-Baptiste Monet
chevalier de Lamarck (1744-1829)
Physiologie:
Étude du fonctionnement des
organismes vivants.
Anatomie:
Étude des structures constituant
les organismes vivants.
La biologie, la science étudiant le phénomène du vivant, est une
science relativement jeune. Ce n'est, en effet, qu'au début de ce siècle que l'on a commencé à avoir une petite idée de ce qu'est un être
vivant. Et encore, il faudra attendre les années 50 pour que cette
science fasse de véritables progrès. Pourtant, on se posait des questions sur le phénomène du vivant depuis les débuts de l'humanité.
Mais sans les outils indispensables apportés par la physique (que
l'on pense au microscope) et surtout par la chimie (techniques
d'analyse et d'identification des composés chimiques) la biologie ne
pouvait progresser qu'en anatomie et en sciences naturelles. Pour le
reste, on s'en remettait à des opinions philosophiques datant d'aussi
loin qu'Aristote.
Chapitre 1
Selon Aristote (~384 - ~322), la vie résulte de la rencontre entre un
principe passif, la matière, inerte et informe et un principe actif,
l'âme qui imprime à la matière son organisation complexe, son
mouvement, son énergie, sa vitalité.
Dans les siècles qui suivront, cette conception de la vie connaîtra
plusieurs variantes que l'on peut regrouper sous le nom de théorie
vitaliste (ou vitalisme). La théorie vitaliste se caractérise par la
croyance en une entité immatérielle (ou spirituelle), une force vitale qui animerait les êtres vivants.
Aristote
Les découvertes scientifiques qui se succéderont à partir du milieu
du XIXe siècle conduiront à l’abandon complet de cette théorie. Il
est maintenant clairement établi que les différents phénomènes associés à la vie obéissent aux mêmes lois et forces qui régissent le
reste de l'univers. Il n'est nullement nécessaire de faire appel à une
mystérieuse énergie vitale pour expliquer la vie, on peut très bien
l’expliquer en faisant uniquement appel aux lois de la chimie et la
physique.
La conception moderne de la biologie est totalement matérialiste,
elle ne fait appel à aucune force ou énergie immatérielle. Pour la
biologie moderne, un être vivant est un assemblage très complexe
de molécules interagissant entre elles selon les lois de la physique
et de la chimie qui s'appliquent à toute matière. On peut aujourd’hui expliquer le phénomène du vivant sans faire appel à aucune force mystérieuse. Vous ne verrez jamais, dans aucun manuel
de biologie, une explication faisant appel à l’énergie vitale ou à un
quelconque fluide vital.
I-4
Pourtant, encore aujourd'hui, de
nombreuses personnes ont une
conception vitaliste de la vie. Cette
idée est particulièrement répandue
dans le milieu des médecines douces. L'âme d'Aristote, devenue fluide
vital, énergie vitale, chi,
mana,
orgone, prana ou kundalini selon la
religion thérapeutique qu’on adopte
serait l'agent responsable de la vie,
de la santé et de la maladie. La
santé s'expliquerait par une circulation harmonieuse de l'énergie vitale
alors que la maladie serait due à
une mauvaise circulation ou à une
perte de cette énergie. Pourtant
cette notion d’énergie vitale est un
concept totalement dépourvu de
toute base scientifique. La confiance
en des pratiques médicales basées
sur cette théorie abandonnée depuis
longtemps par la science tient plus
de l'acte de foi que de la raison.
La théorie cellulaire
2 LA THÉORIE CELLULAIRE
Une des premières découvertes importantes en biologie passa à peu
près inaperçue à l'époque où on la fit.
En 1665, Robert Hooke, utilisant un nouvel instrument d'optique, le
microscope, eut l'idée d'observer une fine coupe d'un bouchon de
liège (le liège est l'écorce d'un chêne européen).
Hooke nomma cellules ces petites structures vides formant le liège.
Plus tard, en observant d’autres échantillons, animaux ou végétaux,
on constata que la matière vivante est toujours ainsi divisée en cellules juxtaposées. Ce que Hooke avait cru être un cas particulier
pour le liège s’avéra être la norme pour tous les tissus vivants. Quel
que soit le tissu, animal ou végétal, on observe toujours qu'il est
formé par la réunion de nombreuses cellules.
De plus, contrairement au liège, un tissu mort dont les cellules sont
vides, les cellules des tissus frais montraient une organisation interne complexe. Chaque cellule possède des organites (petits organes) dont les plus petits sont assez difficiles à discerner au microscope optique. La plupart de ces organites sont présents dans toutes
les cellules, peu importe d'où vient la cellule, d'un humain, d'un
moustique ou d'un érable. Bref, même si elles proviennent d'organismes très différents les uns des autres, les cellules se ressemblent
beaucoup.
I-5
Chapitre 1
Cellules
adipeuses
Coupe de tissu adipeux
Tissu musculaire
Coupe de la racine d’une plante aquatique
Épithélium tapissant la bouche, le nez et l’œsophage
Coupe d’une feuille d’arbre
Neurones (cellules nerveuses)
I-6
La théorie cellulaire
On se rendit également compte que les cellules pouvaient se reproduire. Dans les conditions appropriées, une cellule, même isolée du
tissu d'où elle provient, peut se nourrir, respirer, s'entretenir, se reproduire. Chaque cellule est un être vivant à part entière.
Vers 1839, le monde scientifique admit ce qu'on allait appeler la
théorie cellulaire :
La cellule est l'unité structurale et
fonctionnelle de tous les êtres vivants.
C'est-à-dire :
On peut cultiver des cellules en
milieu artificiel. Même séparée de
l’organisme, une cellule peut
continuer à vivre et à se reproduire si on lui fournit tous les
éléments dont elle a besoin (eau,
nourriture, oxygène, etc.).
Chaque cellule de notre corps est
un être vivant à part entière.
•
Tous les êtres vivants sont constitués d'une
ou plusieurs cellules.
•
La cellule est la plus petite unité possédant
les caractéristiques du vivant.
•
Toute cellule provient de la division d’une autre cellule.
« Omnis cellula e cellula » (Rudolph Virchow, 1858)
Chaque cellule est un être vivant complet; une cellule peut :
à
à
à
à
à
à
Absorber et transformer de la nourriture
Respirer
Rejeter des déchets
Sécréter des substances qu’elle fabrique
Se reproduire
Se réparer si elle est endommagée
Chaque cellule est vivante. Par contre, si on coupe une
cellule en morceaux, on n'obtiendra qu'un mélange bientôt
inerte de composés chimiques, rien de vivant.
I-7
Chapitre 1
Vacuole
Nucléole
Appareil
de Golgi
Mitochondrie
Noyau
Gilles Bourbonnais
Réticulum
endoplasmique
Membrane cellulaire
La cellule (très simplifiée)
I-8
La théorie cellulaire
La théorie cellulaire, à l’époque où on l’énonça, révolutionna l’idée
qu’on avait toujours eue de la vie jusque là. En admettant cette
théorie, les biologistes devaient admettre trois concepts tout à fait
nouveaux pour l’époque:
1. Unité du vivant: les êtres vivants se ressemblent
beaucoup plus qu’on ne le croyait; l’homme n’est pas
si différent des animaux et même des plantes.
2. Homéostasie: la survie et la santé de l’individu correspondent à son aptitude à assurer un milieu de vie
favorable à ses cellules.
3. Il n’y a pas vraiment de limite définie entre la vie et
la mort.
1. Unité du vivant:
Non seulement tous les êtres vivants sont formés de cellules,
mais en plus, d’un être vivant à un autre, les cellules sont très
semblables. Il y a peu de différences, par exemple, entre les neurones (ce sont les cellules formant le système nerveux) d’un
moustique et ceux d’un humain. De même, on ne peut discerner,
au microscope, les cellules du foie d’un humain, de celles d’un
chat ou même d’un poisson. Même si elles peuvent avoir des
formes et des tailles différentes, les cellules possèdent toutes la
même structure de base, elles sont formées des mêmes organites
(les organites, ce sont les petites structures que l'on peut observer
à l'intérieur des cellules): membrane, noyau, vacuoles, ribosomes, reticulum endoplasmique, etc.
On peut voir le monde vivant comme un gigantesque jeu de
Lego. À partir de quelques types de briques élémentaires, les
différents types de cellules, on peut construire une variété infinie de formes vivantes.
De plus, on a découvert, par la suite, que le mode de fonctionnement des cellules, l’ensemble des réactions chimiques s’y déroulant, était sensiblement le même, peu importe le type de cellule. Il n’y a pas tant de différences entre une cellule de tomate et
une cellule humaine. Un très grand nombre de réactions chimi
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Chapitre 1
ques se déroulant dans l’une se déroulent aussi dans l’autre.
C’est ainsi, que fréquemment, une découverte faite à partir de
l’étude des cellules d’un organisme particulier, fut-il aussi simple
qu’une cellule de levure, peut s’appliquer à tous les autres êtres
vivants.
Les levures sont des champignons
unicellulaires utilisés pour fermenter
le sucre en alcool.
2. Homéostasie:
Il suffit d’avoir déjà tenté de cultiver des cellules en milieu artificiel pour se rendre compte combien leur survie est fragile. Un
peu trop de ceci ou pas assez de cela dans le milieu de culture et
les cellules meurent soudainement.
Une cellule ne peut survivre que si elle baigne dans un liquide présentant des caractéristiques physico-chimiques qui
répondent exactement à ses besoins.
Il en est de même à l’intérieur de l’organisme. Les cellules doivent baigner dans un milieu stable qui leur apporte tout ce dont
elles ont besoin. On pourrait définir la physiologie humaine
comme l’étude des mécanismes permettant d’assurer aux
cellules un milieu de vie stable.
On appelle « homéostasie » cette stabilité du milieu interne que parviennent à
maintenir les êtres vivants.
Remarquez que l’homéostasie correspond à un équilibre dynamique. Par leur activité, les cellules modifient continuellement
leur milieu en y puisant des éléments et en y rejetant des déchets.
Ce milieu change également selon la nourriture absorbée et le
milieu dans lequel on se trouve (désert torride ou froide journée
d’hiver, par exemple). Les différents systèmes doivent donc continuellement réagir afin de rétablir l’équilibre sans cesse perturbé. Le maintien de l’homéostasie est un continuel combat qui
ne doit jamais cesser.
I-10
Caractéristiques physico-chimiques,
c’est-à-dire l’ensemble des caractéristiques physiques (température,
viscosité, etc.) et chimiques (pH,
salinité, concentration en oxygène,
en déchets, etc.) du milieu.
La teneur en sucre du liquide baignant les cellules, par exemple, doit
demeurer rigoureusement stable,
Trop ou pas assez de sucre pourrait
perturber le fonctionnement des
cellules et même les tuer. Comme
nous le verrons plus loin dans ce
cours, il existe des mécanismes
physiologiques permettant de
maintenir stable cette teneur en
sucre. Que l’on jeûne depuis plusieurs jours ou que l’on vienne de
manger un plein pot de miel, le taux
de sucre demeurera sensiblement le
même.
La théorie cellulaire
Avec la théorie cellulaire, la notion de maladie prit une toute
nouvelle signification. Désormais, on considérera la maladie
comme un défaut de l’homéostasie. Et c’est le bon fonctionnement de chacune des cellules de l’organisme qui permet de
maintenir cette homéostasie essentielle à la survie de chacune
d’entre elles.
3. Il n’y a pas de limite définie entre la vie et la mort :
Il est difficile d’estimer le nombre
de cellules formant un organisme
humain. Selon les plus récentes
estimations, l’organisme serait
constitué de 30 000 à 60 000
milliards de cellules.
Un être humain est en fait une colonie de plusieurs milliers de
milliards de cellules.
Mais, puisque chacune de nos cellules est un être vivant à part
entière, à partir de quel moment peut-on affirmer qu’une personne est morte? Doit-on attendre que la dernière cellule soit
morte avant de signer l’acte de décès? Un homme à qui on vient
de couper la tête est-il encore vivant? Pourtant, ses cheveux et
ses ongles continuent à pousser, plusieurs de ses cellules musculaires se contractent encore, les cellules de sa peau survivent
encore en respirant le peu d’oxygène présent dans le liquide qui
les entoure, etc.
Bref, il faut bien se rendre à l’évidence, il n’existe pas de frontière bien définie entre la vie et la mort. Et c’est là tout le problème éthique que posent des actes comme l’euthanasie ou, pour
commencer à l’autre bout de la vie, l’avortement. À partir de
quel moment y a-t-il vie et à partir de quel moment il n’y en a
plus?
Et le problème est le même au niveau de chacune des cellules. À
partir de quel moment peut-on affirmer qu’une cellule est morte?
Une cellule privée des éléments nécessaires à sa survie ne meurt
pas d’un seul coup comme cela. Son activité se ralentit peu à
peu, ses structures se dégradent progressivement jusqu’à ce
qu’on obtienne un mélange plutôt inerte de composés chimiques.
Mais, à quel moment précisément est-elle morte ? Essayer de définir ce moment est aussi vain que d’essayer de définir une frontière bien précise entre la jeunesse et la vieillesse par exemple.
I-11
Chapitre 1
Vous verrez que souvent en biologie, on passe de façon très progressive d’un état à un autre, il y a rarement de frontière fixe.
Légalement, il a bien pourtant fallu définir une frontière. À une certaine
époque, c’était l’arrêt cardiaque. Si le coeur ne bat plus c’est qu’on est
mort. Ces dernières années, par contre, on a appris à repartir un coeur
arrêté. Il a donc fallu trouver un autre critère. Actuellement, la mort est
légalement définie par l’absence d’activité électrique des neurones du
cerveau. Cette activité électrique peut être mise en évidence à l’aide
de petites électrodes enregistreuses qu’on applique à la surface du
cuir chevelu. L’absence d’activité cérébrale résulte en un électroencéphalogramme plat (EEG plat).
Notez bien qu’il s’agit là d’une frontière légale. Moralement, le problème se complique. Peut-on encore qualifier de vivante une personne
plongée dans un coma profond et irréversible mais dont le cerveau
présenterait encore une faible activité (ces cas existent)? Peut-on arrêter la vie biologique lorsque la qualité de vie s’est dégradée au-delà
d’un certain niveau? C’est là un problème qui n’est plus du ressort des
biologistes.
En fait, la mort même est un phénomène étrange. En effet, les
cellules peuvent continuellement se renouveler. Si une structure
se dégrade, la cellule peut, à partir des molécules qu’elle puise
dans son milieu, en fabriquer une nouvelle.
À cause de ce renouvellement continuel qui se produit dans
les cellules, on estime que chaque individu renouvelle la totalité de ses molécules à peu près en sept ans. Il n’y aurait donc
pas une seule molécule de votre corps qui y était il y a sept
ans.
Si une cellule meurt, une autre cellule peut se reproduire pour la
remplacer. À chaque seconde, 50 millions de cellules meurent
dans notre organisme. Mais la reproduction cellulaire permet de
produire 50 millions d’autres cellules pour les remplacer.
En fait, théoriquement, puisqu’on se renouvelle continuellement,
on ne devrait pas vieillir. Mais, pour des raisons qu’on commence à peine à comprendre, les processus permettant aux cellules de se renouveler et de se reproduire se dégradent avec le
temps. L’organisme perd progressivement son efficacité à se renouveler, il se dégrade, vieillit et meurt.
I-12
« Tant que la biologie n’avait pas
acquis la notion de cellule, elle ne
pouvait prétendre qu’à une figuration
extrêmement grossière des phénomènes vitaux, quels qu’ils soient. Une
pièce maîtresse lui faisait défaut, à
quoi ne pouvait suppléer aucune
ressource de l’imagination ou du
raisonnement .»
Jean Rostand, Esquisse d’une
histoire de la biologie
La théorie cellulaire
Donc, tout être vivant est fondamentalement un assemblage de petites structures vivantes, les cellules. Notez tout de même, que certains êtres vivants, les unicellulaires, ne sont formés que d’une
seule cellule. C’est le cas, par exemple, des bactéries.
Les bactéries sont de minuscules êtres vivants formés
d'une seule cellule. Elles sont omniprésentes dans la
nature, une poignée de terre, par exemple, en contient
des milliards, notre peau, si propre soit-elle, en est
couverte, notre tube digestif en contient des milliers de
milliards. Certaines sont nocives à l'organisme et sont
responsables de maladies. Les bactéries forment un
peu un monde à part dans l'univers des cellules. Elles
sont dépourvues de la plupart des organites présents
dans les cellules des autres êtres vivants. Elles ne
possèdent ni noyau, ni mitochondries, ni reticulum endoplasmique, ni appareil de Golgi, etc. La cellule bactérienne est dite procaryote alors que toutes les autres cellules formant les autres êtres vivants sont dites
eucaryotes
I-13
Chapitre 1
Zoom sur une épingle
Grossissement = 50 X
À cette échelle, votre taille est d’environ 80 m.
Grossissement = 3000 X
À cette échelle, votre taille est de 5 Km.
On distingue bien les bactéries.
I-14
Grossissement = 1000 X
Les petites taches blanches sont des bactéries.
À cette échelle, vous mesureriez 1,7 Km.
Grossissement = 10,000 X
À cette échelle, votre taille est de 17 Km.
Les bactéries que vous voyez mesurent environ
1 µm de largeur par 3 µm de longueur.
La théorie cellulaire
3 Taille des cellules
Taille des bactéries :
Taille moyenne des cellules humaines:
1 à 3 µm (micromètres)
20 µm
Le µm (micromètre) est une unité correspondant à un millionième
de mètre (ou un millième de millimètre). On utilise aussi le nm (nanomètre) équivalent à un milliardième de mètre (ou un millième de
µm).
• Plus petite cellule humaine:
spermatozoïde (environ 2 µm
sans la queue)
• Plus grosse cellule humaine:
ovule (environ 100 µm)
1 mm =
1 µm =
1 nm =
1/1000 m
1/1000 mm
1/1000 µm
Le pouvoir de résolution de l’œil humain, sa capacité à distinguer
des détails, est d’environ 100 µm (à peu près la largeur d’un cheveu). On ne pourrait pas, par exemple, distinguer à l’œil nu, deux
points situés à moins de 100 µm l’un de l’autre. Ils apparaîtraient
comme un seul point.
Les cellules d'un moustique sont-elles plus petites que
celles d'une baleine bleue?
I-15
Chapitre 1
4 Les atomes et les molécules
Afin de se maintenir en vie, une cellule doit continuellement effectuer certaines tâches: puiser dans son milieu des éléments nutritifs,
modifier chimiquement ces éléments, les assembler entre eux afin
de former des structures plus complexes, défaire certaines de ces
structures en éléments plus simples et réutiliser les morceaux pour
refaire d’autres structures, rejeter des déchets, puiser de l’oxygène,
respirer, etc. Bref, vivre, pour une cellule, c’est effectuer de nombreuses et complexes réactions chimiques. Pour bien comprendre
ce qu’est la vie, il faut connaître ces réactions chimiques qui se déroulent dans les cellules. C’est pourquoi, il nous est nécessaire de
faire un peu de chimie...
4.1
Les atomes:
Prenez un verre d'eau et divisez-le en deux. Puis, redivisez en deux
l’une des deux moitiés obtenues. Recommencez encore et encore.
Peut-on ainsi diviser à l'infini, en obtenant chaque fois une quantité
d'eau encore plus petite que la fois précédente? Quatre cents ans
avant Jésus-Christ, les Grecs se posaient ce genre de question. Certains croyaient que la réponse était oui, on peut diviser le nombre de
fois que l'on veut, il restera toujours une petite quantité d'eau, si
petite soit-elle. D'autres, dont le plus connu fût Démocrite, prétendaient que non. Selon eux, l'eau était constituée de petites particules
d'eau indivisibles qu'ils appelaient atomes (d'un mot grec signifiant
justement indivisible). En divisant plusieurs fois une certaine quantité initiale d'eau, on devait inévitablement arriver à un point où il
ne resterait qu'un seul atome indivisible d'eau.
Démocrite n’avait pas tout à fait raison, mais il n’avait pas tort non
plus.
L’eau est effectivement faite de particules minuscules, mais ces
particules ne sont pas des atomes indivisibles. L’eau, comme la
plupart des autres substances qui nous entourent, est faite de molécules d’eau. Une molécule d’eau, c’est la plus petite quantité d’eau
que l’on puisse imaginer.
I-16
La théorie cellulaire
H
O
H
H2 O
Si on fait passer un courant électrique dans de l'eau, les molécules
d’eau se brisent et il se forme de
l’oxygène et de l’hydrogène.
En fait, il existe plus que 92 sortes
d'atomes. Les physiciens ont réussi
à fabriquer artificiellement certains
atomes qui n'existent pas à l'état
naturel. On connaît actuellement
plus de 107 sortes d'atomes.
Chaque molécule d’eau est constituée d’unités plus petites appelées
atomes. Dans le cas de la molécule d’eau, celle-ci est faite d’un
atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène.
On pourrait donc séparer une molécule d’eau en deux substances
différentes, l'oxygène et l'hydrogène. Mais peut-on diviser l'hydrogène, par exemple, en deux autres substances. La réponse est non.
L'hydrogène ne peut, contrairement à l'eau et à de nombreuses autres substances, se diviser en matières plus simples. Peut-on alors
diviser l'hydrogène à l'infini ? La réponse est encore non. Comme le
supposait Démocrite, il existe des particules indivisibles d'hydrogène. Ce sont les atomes d'hydrogène.
Tout l'univers est formé d'atomes. En fait, l'univers est formé de 92
sortes d'atomes différents. L'hydrogène est constitué d'une sorte
d'atomes alors que l'oxygène est constitué d'une autre sorte.
Les atomes diffèrent les uns des autres par leurs propriétés et par
leur masse. On sait par exemple qu'un centimètre cube de fer (le fer
est formé d'atomes de fer) n'a pas la même masse ni les mêmes propriétés qu'un centimètre cube d'aluminium ou de carbone (le charbon, c'est du carbone à l'état pur). Les atomes de fer sont plus lourds
que les atomes de carbone.
Dans certains cas, un atome peut être électriquement chargé. On le
qualifie alors d'ion. Ion positif si la charge électrique est positive et
ion négatif si la charge est négative. Une grande variété d'atomes
sont dissous dans les liquides de l'organisme sous forme d'ions. Ils
constituent ce qu'on appelle en physiologie des électrolytes.
Ex.
Na+
ClCa++
(ion sodium)
(ion chlore)
(ion calcium)
I-17
Chapitre 1
4.2
Les molécules:
Les atomes peuvent se lier les uns aux autres pour former des
molécules. Ainsi, l'atome d'oxygène peut se lier à deux atomes
d'hydrogène pour former une molécule d'eau. C'est pour cette raison que l'eau est désignée, par les chimistes, par le symbole H2O.
La plupart des substances qui nous entourent sont formées de molécules elles-mêmes constituées d'atomes différents.
Ex.
L'eau:
H
O
H
Forme compacte
H
H
H
O
H
O
Forme "boules et bâtons" Formule développée
La lettre H indique un
atome d'hydrogène, la
lettre C un atome de
carbone et la lettre O un
atome d'oxygène.
H2O
Formule simplifiée
L'alcool éthylique (alcool de consommation)
H
H
C
H
H
Forme compacte
C
H
O
OH
CH3 CH2 OH
H
Forme "boules et bâtons"
Formule développée
Parmi les 90 éléments chimiques existant sur terre à l'état naturel, la
vie, lorsqu'elle s'est formée, n'en a sélectionné que quatre principaux pour former ses molécules:
•
•
•
•
Carbone (C)
Hydrogène (H)
Oxygène (O)
Azote (N)
L'essentiel des molécules formant la matière vivante est formé à
partir de ces quatre éléments. Ils peuvent s'unir les uns aux autres
pour former une quantité quasi infinie de molécules différentes.
I-18
Formule simplifiée
La théorie cellulaire
ÉLÉMENT
Oxygène
Carbone
Hydrogène
Azote
Calcium
Phosphore
Souffre
Potassium
Chlore
Sodium
Magnésium
Iode
Fer
SYMBOLE
O
C
H
N
Ca
P
S
K
Cl
Na
Mg
I
Fe
POIDS (%)
62
20
10
3,3
2,5
1,0
0,25
0,25
0,2
0,1
0,07
0,01
0,01
MASSE ATOMIQUE
16,0
12,0
1,0
14,0
40,0
31,0
32,0
39,0
35,5
23,0
24,5
127,0
56,0
On retrouve également d'autres éléments en quantité infime(l'ensemble de ces éléments appelés oligo-éléments ne forme
qu'environ 0,3% de la masse totale de notre poids:
Cuivre (Cu), Manganèse (Mn), Molybdène (Mo), Cobalt (Co),
Bore (B), Zinc (Zn), Fluor (F), Sélénium (Se), Chrome (Cr)
4.3
Les molécules organiques
La plupart des molécules constituant les différentes structures des
êtres vivants sont constituées d'un squelette formé d'un grand nombre d'atomes de carbone reliés les uns aux autres. Divers autres
atomes, (H, O et N surtout), liés aux atomes de carbone du squelette, complètent la molécule. Toutes les molécules contenant des
atomes de carbone et d’hydrogène (et c'est le cas de presque toutes
les molécules formant les êtres vivants) sont dites "organiques".
molécule organique
=
molécule contenant des atomes de
carbone et d’hydrogène
Le méthane (CH4)
Le méthane est la
plus simple des molécules organiques.
L’atome de carbone possède une propriété unique dans le monde
des atomes, il peut se lier de nombreuses fois à lui-même pour
former de très grosses et très complexes molécules. De tous les
atomes existant dans l’univers, il est le seul à posséder cette pro
I-19
Chapitre 1
priété. Il est courant en biologie de rencontrer des molécules formées de 100, 200, voire même plus de 1000 atomes de carbone.
Avec des atomes d’oxygène et d’hydrogène, on ne peut guère faire
autre chose que de petites molécules de H2O. Par contre, avec des
atomes de carbone et d’hydrogène, on peut fabriquer un nombre astronomique de molécules différentes, de la petite molécule de CH4 (le
méthane) à de gigantesques hydrocarbures du type C64H232 (toutes les
molécules formées uniquement de carbone et d’hydrogènes sont des
hydrocarbures; c’est le cas, par exemple, des huiles ou de l’essence).
Avec 40 atomes de carbone et 82 d’hydrogène, on peut théoriquement
former plus de 62 millions de molécules différentes où chaque molécule a une structure et des propriétés physiques et chimiques différentes de l’autre. Des molécules organiques de cette taille sont très
courantes dans les êtres vivants.
Ex.
Cette figure représente la structure d’une molécule de cocaïne.
Elle contient 17 atomes de carbone, 3 d’oxygène, un d’azote et
21 d’hydrogène. Cette molécule est assemblée, à partir de molécules plus petites qui sont combinées entre elles, par les cellules
des feuilles de l’arbre à coca poussant en Amérique du Sud. Sa
toxicité pour le système nerveux constitue une protection contre
les insectes parasites qui s’attaquent aux feuilles de l’arbre. Les
cellules de l’arbre peuvent fabriquer des milliers d’autres molécules différentes, beaucoup plus complexes que celle-là, remplissant les diverses fonctions chimiques nécessaires à la survie de
la plante.
I-20
La théorie cellulaire
On peut regrouper la grande majorité des molécules formant une
cellule en trois grandes familles:
•
•
•
les glucides (ou sucres ou hydrates de carbone)
les lipides (gras et huiles)
les protéines
Les sucres et les gras sont d'importantes sources d'énergie alors que
les protéines, en plus d’être essentielles comme matériaux de construction, remplissent une foule de fonctions dans la cellule (nous en
reparlerons).
Une pièce de monnaie d'un cent
(20 g) contient 200 mille milliards de
milliards d'atomes de cuivre
23
(2 x 10 ).
Un petit verre d'eau (180 ml), par
exemple, contient 6 millions de
milliards de milliards de molécules
24
(6,02 x 10 molécules d'H2O).
C’est six fois plus que le nombre
total de flocons de neige qui tombent sur tout le Canada en un hiver.
Un gramme de sucre blanc contient
environ 1 750 milliards de milliards
21
de molécules (1.75 x 10 molécules).
Dans une cellule aussi petite qu'une
bactérie, on retrouve environ 4 000
milliards de molécules d'eau (70%
de la masse de la bactérie) et près
d'un milliard de molécules de protéines (environ le tiers du poids sec
d'une bactérie est constitué de
protéines).
Même si les molécules formant la matière vivante peuvent être très
grosses (des milliers d'atomes par molécule), n'oubliez pas qu'elles
sont incroyablement petites par rapport à notre taille ou même par
rapport à la taille pourtant microscopique d'une cellule.
Imaginez une cellule dont la taille serait à peu près celle d’un immeuble de six logements (voir la figure de la page suivante). À cette
échelle, vous mesureriez plus de 20 000 Km de hauteur. Une bactérie mesurerait entre 1 et 2 m (à peu près la taille d’un humain), un
virus1, celle d’une souris et une protéine (c’est une très grosse molécule pouvant renfermer plus d’un millier d’atomes), celle d’un
grain de riz. Un atome de carbone ou une molécule d’eau seraient
difficilement visibles à l’œil nu.
1
Nous verrons plus loin, dans un autre chapitre, ce qu’est un virus.
I-21
Chapitre 1
Cellule humaine (20 µm)
Virus (50 à 100 nm)
Bactérie (2 µm)
I-22
Protéine (environ 3 nm)
Vocabulaire
Anatomie
Description des structures constituant les organismes vivants (le nom et
l’emplacement de ces structures).
Atomes
Unité de matière en chimie ; chaque atome est constitué d’un noyau autour
duquel tournent des électrons. Ex. atome de cuivre, atome de carbone
Bactéries
Organisme unicellulaire (qui n’est formé que d’une seule cellule) très simple (procaryote).
Cellules
Plus petite structure présentant les propriétés du vivant. Les êtres vivants
sont tous formés d’une ou plusieurs cellules.
Électrolytes
Nom donné en physiologie aux ions dissous dans les liquides corporels
(ex. Na+, Cl− , K+, etc.)
Glucides
Groupe des sucres (on dit aussi « hydrates de carbone »).
Homéostasie
Propriété des êtres vivants de maintenir stables les paramètres physiques
et chimiques de leur milieu interne.
Ion
Atome portant une charge électrique.
Lipides
Groupe des huiles et des gras.
Micromètres (µm)
Un millième de millimètre.
Molécule
Unité de matière formée de l’union d’atomes.
Nanomètre (nm)
Un millième de micromètre (un millionième de mm).
Molécule organique
Molécule dont la structure de base (le « squelette ») est formée d’atomes
de carbone.
Organites
Petites structures visibles à l’intérieur des cellules.
Physiologie
Étude du fonctionnement des organismes vivants.
Protéines
Une des trois grandes familles de molécules formant les êtres vivants.
Nous verrons la structure de ces molécules au prochain module.
Vitalisme
Théorie voulant qu’il existe des forces ou énergies propres aux êtres vivants. Ces forces ou énergies ne se rencontreraient que chez les êtres
vivants et elles en expliqueraient le fonctionnement. Cette théorie est rejetée depuis plus d’un siècle par la science.
Chapitre 1
Questions de révision
1. Qu’est-ce que la physiologie? L’anatomie?
2. Qu’est-ce que le vitalisme?
3. La théorie cellulaire s’énonce : "La cellule est l'unité structurale et fonctionnelle de tous
les êtres vivants". Qu’est-ce que ça veut dire exactement? Expliquez-le dans vos propres mots.
4. Pourquoi peut-on considérer que les êtres vivants s’apparentent à un « jeu de Lego »?
5. Si la taille moyenne d'une cellule humaine est de 20 µm, combien peut-on placer de
cellules, côte à côte, sur une ligne mesurant 1 mm? Pour les forts en math : Combien y
a-t-il de cellules dans un centimètre cube de tissu vivant si on suppose un diamètre d’à
peu près 20 µm pour chacune des cellules (vol. de la sphère = 4/3 π r3)?
6. Expliquez ce qu’est l’homéostasie et quelle est l’importance de ce concept pour les
cellules. Donnez des exemples.
7. Pourquoi est-il difficile de définir une limite entre la vie et la mort?
8. Pourquoi dit-on qu’on ne devrait théoriquement pas vieillir?
9. Qu'est-ce qu'une bactérie, quelle est sa taille moyenne, pourquoi dit-on qu'une bactérie
est un être procaryote?
10. Qu’est-ce qu’un atome? Une molécule? Une molécule organique?
11. Pourquoi le carbone est-il l’élément de base du vivant. Qu’est-ce que cet atome a de si
particulier?
I-24