Des molécules aux organismes I. Introduction à la biologie cellulaire
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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 Procaryotes Eubactéries Archaebactéries Eucaryotes 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. 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 peut­être 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. Abordons maintenant les différents composants de la cellule procaryote : Membrane plasmique La cellule procaryote est délimitée par une membrane plasmique doublée d'une paroi cellulaire. Composée d'une double couche de phospholipides, de protéines (qui peuvent être intracellulaires, extracellulaires ou insérées dans la double couche phospholipidique) et de molécules de cholestérol, elle représente une barrière de perméabilité très sélective. La membrane plasmique a donc le double rôle de protection et de zone d'échanges entre le milieu intracellulaire et extracellulaire. Schéma détaillé d'une membrane cellulaire Paroi cellulaire La paroi cellulaire est un élément de la structure bactérienne présent chez toutes les bactéries (sauf les Mycoplasmes). Elle permet de conférer à la bactérie une résistance : – physique, contre les chocs, en lui donnant une forme. – chimique, contre le dessèchement. Elle est principalement composée de peptidoglycanes, qui sont des molécules hydrophiles. Test de Gram La coloration de Gram doit son nom au bactériologiste danois Hans Christian GRAM qui mis au point le protocole en 1884. C'est une coloration qui permet de mettre en évidence les propriétés de la paroi bactérienne, et d'utiliser ces propriétés pour les distinguer et les classifier. Son avantage est de donner une information rapide sur les bactéries présentes dans un produit ou un milieu tant sur le type que sur la forme. Voici succinctement les différentes étapes de cette coloration : 1. Coloration par le violet de gentiane ou cristal violet. Rinçage. 2. Mordançage au lugol (solution d'iode iodo­iodurée). Rinçage. 3. Décoloration (rapide) à l'alcool (+ acétone). Rinçage. 4. Recoloration à la safranine ou à la fuchsine. Lavage et séchage. 5. Observer avec une goutte d'huile à immersion objectif 100. Les étapes 1 et 2 colorent en violet le contenu de la bactérie. Le violet de gentiane se fixe sur les composants cytoplasmiques de toutes les bactéries. Le lugol permet de fixer cette coloration interne. L'étape 3 (alcool) sert à décolorer le cytoplasme des bactéries qui seront dites « Gram négatives ». En effet, celles ci ont une paroi pauvre en peptidoglycane ­ donc plus fine ­ qui va laisser passer l'alcool (molécule lipophile) ou le mélange alcool­acétone, et qui décolorera le cytoplasme en éliminant le violet de gentiane. Au contraire, pour les bactéries dites « Gram positif » la paroi constitue une barrière imperméable à l'alcool car elle est composée d'une "couche" de peptidoglycane plus importante donc de ce fait ; plus épaisse. Elles resteront alors violettes. L'étape 4 est une contre­coloration ayant pour but de donner aux bactéries Gram négatives précédemment décolorées une teinte rose permettant de les visualiser au microscope. Les bactéries à Gram positif restées violettes seront évidemment insensibles à cette contre­coloration plus pâle que le violet imprégnant leur cytoplasme. Ces différences de coloration sont à l'origine de la classification des bactéries en deux catégories : Gram + et Gram ­. LPS porine membrane externe paroi cellulaire espace périplasmique membrane plasmique Bactéries GRAM (­) Espèce­type : Escherichia coli Cytoplasme Bactéries Gram (+) Espèce­type : Bacillus subtilis Le cytoplasme n'est pas compartimenté. Il comprend : – une phase liquide, composée d'eau, de sels minéraux et d'acides aminés – des organites « dissous » dans cette phase : – un nucléoïde correspondant à un chromosome bactérien unique à structure circulaire replié sur lui­même, et rattaché à la membrane par un mésosome. – des ribosomes permettant la traduction du message génétique. À tous ces composants constants chez la cellule procaryote, on peut dans certains cas ajouter : Pili Appendice se situant à la surface de la paroi de nombreuse bactéries Gram (­) et exceptionnellement des bactéries à Gram (+). Les pili (sing. pilus) entrent en jeu dans certaines fonctions de communication de la cellule avec l'extérieur, notamment des échanges de matériel génétique. Flagelle Le flagelle est un organite assurant la mobilité de la cellule procaryote. Il s'agit d'un prolongement cytoplasmique dont la structure est composée de protéines complexes. Chez les Procaryotes, il comporte trois parties : le corps basal, le crochet et le filament. Le flagelle se meut grâce à la circulation d'un flux de protons et d'électrons ; et permet à la bactérie de se diriger vers des endroits précis. Par un mécanisme de chimiotactisme, la bactérie peut grâce à ses récepteurs membranaires spécifiques (par ex. sensibles aux nutriments) détecter la présence de nutriments et se déplacer vers ces nutriments en remontant un gradient de concentration. Plasmides Un plasmide est une molécule d'ADN distincte de l'ADN chromosomique, capable de réplication autonome. b. La cellule eucaryote Le domaine des Eucaryotes (du grec ευ, vrai et καρυον, noyau) regroupe tous les organismes compris dans quatre grands règnes du monde vivant : les Animaux, les Champignons, les Plantes et les Protistes. Ils sont caractérisés principalement par des cellules qui possèdent un noyau. Ils constituent donc un très large groupe d'organismes, uni­ ou pluricellulaires, définis par leur structure cellulaire. Schéma d'une cellule eucaryote animale Ce schéma nous permet de définir les différents composants de la cellule eucaryote : Membrane plasmique On retrouve chez les Eucaryotes une membrane plasmique dont la fonction et l'organisation globale restent proches de celle des Procaryotes. Les cellules animales étant le plus souvent associées en tissus, les membranes plasmiques de cellules voisines sont juxtaposées, ménageant entre elles un espace empli de protéines appelé matrice extracellulaire. Selon les tissus, des cellules voisines peuvent établir entre elles des liaisons serrées ou ouvertes : les jonctions cellulaires. Noyau (2) Le noyau occupe un volume important dans le cytoplasme. Il est séparé du cytosol par une enveloppe nucléaire (à deux feuillets) ménageant des pores nucléaires. Dans le noyau, on retrouve les territoires du nucléole (1) et de la chromatine (assemblage d'ADN et de protéines) avec l'euchromatine (plus claire, ADN codant pour les protéines synthétisées par la cellule) et l'hétérochromatine (plus foncée, ADN codant pour des protéines non synthétisées par la cellule). Cytoplasme (11) La membrane plasmique délimite un cytoplasme qui est plus complexe que celui des Procaryotes. Baignant dans le cytosol (phase liquide), un système de membranes internes est développé, comprenant : Réticulum endoplasmique Il constitue un ensemble de cavités aplaties. C'est une portion du réticulum endoplasmique qui entoure le noyau et forme la membrane nucléaire interne. On distingue le réticulum endoplasmique granulaire (REG, 5) muni de polysomes (chapelets de ribosomes) ; et le réticulum endoplasmique lisse (REL, 8) Appareil de Golgi (6) Il comprend un ou plusieurs dictyosomes. Il s'agit d'un système de saccules empilés qui contribuent au rassemblement, au stockage, au triage et à l'affinage des produits de sécrétion. Lysosomes (12) Ce sont des vésicules closes qui constituent pour la cellule un centre de stockage des enzymes lytiques et un lieu d'élimination des déchets. Vésicules (4) D'exo­ ou d'endocytose, les vésicules exportent ou importent des protéines. Cytosquelette (7) Système de câbles protéiques (microtubules, microfilaments et filaments intermédiaires) jouant un rôle dans la motilité (capacité physiologique à faire des mouvements) intracellulaire des organites. Renouvelé constamment par polymérisation de protéines, le cytosquelette permet : Mitochondries (9) – La régulation de la forme de la cellule. – L'ancrage aux membranes des cellules voisines. – La formation de protrusions ou d'involutions membranaires (importantes pour la phagocytose et pour la migration cellulaire : pseudopodes) – Le maintien de la structure interne, et en particulier des compartiments cellulaires. – Le transport de protéines ou d'ARNm dans un endroit particulier de la surface. – La séparation des chromosomes lors de la mitose – La formation et la contraction de l'anneau mitotique permettant la séparation physique de deux cellules filles (cytodiérèse) – La contraction des cellules musculaires. Il s'agit d'organites clos, délimités par une membrane externe contre laquelle est accolée une membrane interne. Les mitochondries permettent la respiration cellulaire et la synthèse d'ATP. Nous venons de décrire les organites présents dans la cellule animale. Trois composantes doivent cependant être ajoutées à cette liste pour décrire une cellule végétale. Schéma d'une cellule eucaryote végétale Paroi cellulaire Il s'agit d'un revêtement extracellulaire situé au­delà de la membrane plasmique. Elle est constituée de fibrilles de cellulose enrobées dans une matrice formée d'autres polysaccharides et de glycoprotéines. Elle constitue pour la cellule une charpente très structurée qui lui donne sa forme et ses propriétés mécaniques. Dans cette paroi les communications intercellulaires sont assurées par des plasmodesmes. Appareil vacuolaire C'est un compartiment pouvant occuper jusqu'à 90 % du volume cellulaire. Il est riche en eau et en différents types de substances dissoutes (réserves ou déchets). La vacuole est limitée par une membrane, le tonoplaste. Plastes Ces organites, et en particulier les chloroplastes, permettent à la cellule végétale de réaliser la photosynthèse (transformation de CO2 et d'eau en molécules organiques et en O2 sous l'effet de la lumière). Comme les mitochondries, les plastes sont délimités par une double membrane. Les chloroplastes, majoritairement répandus, contiennent une phase liquide, le stroma, dans lequel baignent des thylakoïdes (grana et thylakoïdes intergranaires) contenant la chlorophylle. Certains plastes possèdent divers autres pigments (xanthophylle, carotène, etc.) Tableau synthétique Principales différences entre les cellules procaryotes et eucaryotes Procaryotes Eucaryotes Représentants Bactéries, Archées Protistes, Champignons, Plantes, Animaux Taille typique ~ 1­10 µm ~ 10­100 µm Type de noyau nucléoïde pas de véritable noyau vrai noyau avec une enveloppe 1 chromosome bicaténaire circulaire et plasmides n chromosomes bicaténaires linéaires avec des protéines histone Synthèse des protéines couplé au cytoplasme ribosomes 70S synthèse d'ARN dans le noyau synthèse de protéines dans le cytoplasme par ribosomes 80S Structure cytoplasmique très peu de structures pas de cytosquelette très structuré membranes intracellulaires (compart. endomembranaires) et cytosquelette flagelle fait de flagelline flagelle et cils fait de tubuline Métabolisme anaérobie ou aérobie habituellement aérobie Gestion de l'énergie membrane plasmique mitochondries (et chloroplastes chez plantes) habituellement des cellules isolées cellules isolées, colonies, organismes complexes avec des cellules spécialisées scissiparité (division simple) mitose (multiplication conforme de la cellule) méiose (formation de gamètes) Matériel génétique Mouvement de la cellule Organisation Division de la cellule
