Des molécules aux organismes I. Introduction à la biologie cellulaire

Des molécules aux organismes
Cours de Biologie Cellulaire de Philippe DENOULET
I. Introduction à la biologie cellulaire
1. Théorie cellulaire
a. Définition de la biologie cellulaire
La biologie cellulaire est l'étude de la structure et du fonctionnement des cellules.
Elle s'appuie sur d'autres sciences telles que :
–la biochimie
–la biologie moléculaire
–la génétique
–la physiologie cellulaire
–la physique et la chimie
b. Histoire de la théorie cellulaire
fin 17ème siècle : Première observation de cellules par A. von LEEUVENHOEK
dans l'eau d'une mare.
Ce n'était pas un scientifique mais tout simplement un commerçant drapier
qui avait investi dans la science, et plus particulièrement l'optique ; ce qui
l'avait amené à inventer le microscope, et à découvrir l'existence des EV
unicellulaires aquatiques.
Invention du concept de cellule (cellula) par R. HOOKE
HOOKE avait examiné les structures cloisonnées et alvéolées présentes dans
l'écorce des arbres.
Cellules observées par HOOKE

19ème siècle : SCHLEIDEN et SCHWANN définissent le 1er axiome de la théorie
cellulaire (1838) :
« Tous les organismes sont faits de petites unités : les cellules »
En 1855, VIRCHOW suggère que toute cellule provient d'une
autre cellule. C'est le second axiome de la théorie cellulaire.
En 1861, PASTEUR, en démontrant que la théorie de la
génération spontanée est erronée, va dans ce sens.
(expérience du morceau de viande sous cloche)
Aujourd'hui, la théorie cellulaire peut être définie comme suit :
–Tous les êtres vivants sont faits d'une ou plusieurs cellules
–Toute cellule provient d'une autre cellule (principe de division cellulaire)
–La cellule est une unité vivante et l'unité de base du vivant, c'est à dire
qu'une cellule est une entité autonome capable de réaliser un certain
nombre de fonctions nécessaires et suffisantes à sa vie
Il est possible par exemple de cultiver des cellules in vitro en leur apportant les
nutriments et le milieu convenable
–Il y a individualité cellulaire grâce à la membrane plasmique qui règle
les échanges entre la cellule et son environnement
–La cellule renferme l'information sous forme d'ADN nécessaire à son
fonctionnement et à sa reproduction.
L'ADN peut être sous forme libre (Procaryotes) ou stocké (Eucaryotes) dans une structure
particulière : les chromosomes réunis dans le noyau.
Ces cinq points peuvent être résumés comme suit : la cellule est l'unité structurale,
l'unité fonctionnelle et l'unité reproductrice.
On retrouve entre toutes les cellules des fonctions communes :
–Différenciation cellulaire : toute cellule possède un programme
génétique, l'ADN, et des moyens de le mettre en œuvre (ARN, protéines,
ribosomes…).
–Prolifération cellulaire : toutes les cellules peuvent se diviser (mitose).
–Mort cellulaire : toute cellule possède un programme de mort :
l'apoptose, sans qui tous les êtres vivants seraient en théorie éternels.
–Gestion de l'énergie : les cellules acquièrent et utilisent l'énergie grâce
au métabolisme cellulaire (photosynthèse, glycolyse, respiration)
–Forces mécaniques : Les cellules mettent en œuvre des forces
mécaniques permettant la cohésion, le maintien des tissus lorsqu'elles
s'associent.
...ainsi que des fonctions spécifiques :
Les cellules répondent à des stimuli par la mise en œuvre de fonctions
spécifiques : stockage de macromolécules (amidon…), contraction
musculaire, conduction nerveuse, sécrétion endocrine et exocrine,
photosynthèse, fonctions immunitaires…

c. Définition de la cellule
Une cellule est une entité limitée du monde extérieur par une membrane
(biologique) capable de filtrer les entrées et les sorties (régulation des échanges)
Une cellule doit être capable de :
–fabriquer ses propres constituants selon des informations précises
stockées dans un programme (ADN des chromosomes)
–transmettre ce programme d'information de génération en
génération (et de le faire évoluer par mutations)
Les accidents dans la transmission du message génétique sont appelées mutations.
Ces mutations peuvent soit avoir des conséquences négatives (cancers, maladies
génétiques) ou des conséquences plus heureuses (création de nouvelles molécules
allant dans le sens de la sélection naturelle et faisant évoluer l'espèce)
–gérer son énergie pour assurer la fabrication de ses constituants
(biomolécules) en la captant directement (autotrophie) ou
indirectement (hétérotrophie) dans le milieu extérieur.
Ceci implique pour la cellule la possession d'une certaine autonomie
d. Gestion de l'énergie par la cellule
L'étude de la gestion de l'énergie par la cellule se justifie par le 2nd principe de la
thermodynamique :
« Dans tout système isolé, la quantité de désordre (entropie) ne fait qu'augmenter »
Ordonner un système (par exemple une chambre en désordre) demande un certain apport d'énergie (en
l'occurrence, l'huile de coude de celui qui l'occupe). Sans cet apport d'énergie, il y a augmentation
d'entropie (Δδ > 0).
Or, la cellule est un système très ordonné, construit selon un programme très
précis. Pour éviter l'augmentation spontanée d'entropie, elle a recours à un apport
continu d'énergie puisée dans l'environnement extérieur.
On distinguera alors :
–les métabolismes autotrophes, qui par la photosynthèse, fabriquent
leur énergie (stockée notamment par l'ATP) à partir d'énergie
physique (énergie électromagnétique des photons) et de carbone
minéral (celui du CO2)
–les métabolismes hétérotrophes qui fabriquent leur énergie (ATP) à
partir d'énergie chimique (réactions) et de carbone organique (celui
des biomolécules d'autres EV autotrophes ou hétérotrophes)
L'ATP (adénosine triphosphate) est une biomolécule universelle permettant un
stockage transitoire d'énergie dans la cellule. L'organisme humain en produit
35 kilogrammes par jour environ, qui sont aussitôt hydrolysés pour assurer l'apport
d'énergie nécessaire aux différentes réactions de la cellule. La durée de vie moyenne
de l'ATP est de 1 ms.

e. Les lignages du vivant
Cellules à noyaux primitifs Cellules
compartimentées
Ce sont les progrès technologiques successifs en matière de matériel optique qui ont
permis cette répartition du vivant. Tout d'abord, l'invention du microscope optique a
permis de décrire l'intérieur d'une cellule eucaryote. Puis celle du microscope
électronique a permis d'atteindre des résolutions beaucoup plus élevées et ainsi de
décrire et définir la classe des Procayotes.
Procaryotes et Eucaryotes descendent tous d'un seul ancêtre commun appelé LUCA
(Last Universal Common Ancester) puis les Eucaryotes se sont différenciés des
Procaryotes par des innovations évolutives majeures.
On pense d'une part à la disparition de la gaine (paroi cellulaire) contraignant les
EV procaryotes dans un espace géométrique donné ; et d'autre part à l'apparition de
compartiments intracellulaires (organites) baignant dans le cytoplasme.
Il est aujourd'hui avéré l'apparition ces compartiments est liée à des replis de la
membrane plasmique des Eucaryotes libérée de la paroi cellulaire (et donc plus
flexible) qui ont permis la formation de vésicules internes à membrane simple ou
double. On peut aussi mentionner l'endosymbiose de bactéries capables d'utiliser
l'O2 de l'air (devenues les mitochondries) par les Eucaryotes ; ainsi que celle de
cyanobactéries capables de réaliser la photosynthèse (devenues les plastes) chez les
Eucaryotes autotrophes seulement.
Procaryotes
Eucaryotes
Eubactéries Archaebactéries

2. Organisation générale des cellules
eucaryotes et procaryotes
a. La cellule procaryote
Schéma d'une cellule procaryote
Les Procaryotes (du grec προ, avant et καρυον, noyau) sont des EV dont les cellules
ne comportent pas de noyau ni d'autres organites compartimentés, mais un
territoire unique : le cytoplasme. Également désignés sous le nom de Monères,
Prokaryota ou Prokarya, les Procaryotes forment un taxon, regroupant des êtres
vivants dont les cellules ont la structure procaryote.
Le taxon des Procaryotes n'est pas considéré comme monophylétique : les
organismes à structure cellulaire procaryote sont classés dans les Archées ou dans
les Eubactéries, et on considère que l'un et/ou l'autre de ces taxons a une origine
commune avec les Eucaryotes. Les premiers Procaryotes étaient peut-être déjà
présents lors de l'Éoarchéen (ère de l'Archéen), soit il y a plus de 3,6 Ga.
L'étude des Procaryotes est en fait celle des Bactéries. Elle s'est surtout développée
au XIXème siècle, avec les travaux de Louis PASTEUR en France et de Robert KOCH en
Allemagne. Le terme « procaryote » trouve toute sa signification dans les années
1950, lorsque le microscope électronique montre l'absence de noyau vrai dans la
cellule.