Une structure complexe : la celluleCours

I

L'élaboration de la théorie cellulaire

A

Les étapes historiques de la théorie cellulaire

La théorie cellulaire est d'abord une construction théorique que des observations scientifiques ont permis d'appuyer ensuite. 

Au cours du XVIIe siècle, Hooke observe pour la première fois des cellules, mais le concept de cellule comme unité du vivant n'est pas défini. Le terme même de cellule est rapidement oublié. 

Les améliorations apportées au microscope et aux techniques d'observation ont permis de faire des progrès considérables dans la connaissance du vivant et de ses constituants élémentaires. A. Van Leeuwenhoek conçoit un appareil permettant de distinguer des détails de l'ordre du micromètre.

Deux savants allemands, Matthias Schleiden, travaillant sur des végétaux, et Theodor Schwann, travaillant sur des tissus animaux, postulent en 1838 que tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Ils affirment que les cellules sont la seule unité de base du vivant. C'est la première théorie cellulaire.

Dans la théorie formulée par Schwann, la naissance des cellules s'effectue par génération spontanée, à partir d'une matière non vivante. Ce n'est que vingt ans plus tard que deux autres savants allemands, Robert Remak, neurologue et embryologiste et Rudolf Virchow, médecin, énoncent la deuxième formulation de la théorie cellulaire. Ils postulent que « toute cellule vient d'une cellule préexistante » (« Omnis cellula e cellula », Virchow, 1858).

La théorie cellulaire a fait l'objet de nombreuses attaques ou réticences, en particulier dans le monde scientifique français. Elle n'est admise que dans le milieu des années 1880 (certains scientifiques français refusent de l'enseigner jusque dans les années 1920).

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B

Le contenu de la théorie cellulaire

La théorie cellulaire comprend deux énoncés principaux.

Le premier énoncé de la théorie cellulaire est : Tout être vivant est constitué d'une ou plusieurs cellules.

La cellule est ainsi le constituant de base des êtres vivants. La cellule est la plus petite partie de matière organique qui soit capable de vie autonome (c'est-à-dire de se reproduire et d'avoir, seule, un métabolisme).

Une bactérie, une amibe, sont des êtres unicellulaires.

Des amibes, observation au microscope optique

Des amibes, observation au microscope optique

Un humain est formé de plus de 30 000 milliards de cellules.

Le deuxième énoncé de la théorie cellulaire est : Toute cellule vient d'une cellule préexistante.

On parle de continuité génétique du vivant. Les cellules se forment par division d'autres cellules qui leur transmettent, intégralement ou non, leur information génétique.

La théorie cellulaire permet également d'affirmer que :

  • dans le monde vivant, la cellule est l'équivalent de l'atome pour la matière : un constituant élémentaire ;
  • tous les êtres vivants ont une origine cellulaire commune, ceci vient donc en appui de la théorie évolutionniste (laquelle suppose une origine commune à tous les êtres vivants, suivie d'une grande diversification) ;
  • les êtres vivants sont des assemblages, des fédérations d'êtres vivants plus simples : les cellules.
II

La cellule : base du vivant

A

La variété des cellules

Les cellules ont différentes tailles et différentes formes.

Une bactérie peut mesurer 0,5 µm, alors qu'un jaune d'œuf a un diamètre de quelques centimètres.

La bactérie E. coli

La bactérie E. coli

Des plasmocytes, des cellules végétales, des neurones, ont des formes très différentes.

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B

La cellule, unité du vivant

Même si elle existe sous différentes formes et différentes tailles, la cellule fonde l'unité du vivant. 

En effet, qu'il s'agisse de cellules animales ou végétales, qu'elles soient de grande ou de très petite taille, elles partagent toutes des éléments communs :

  • une membrane plasmique, qui limite la cellule et au travers de laquelle tous les échanges avec le monde extérieur s'effectuent ;
  • un cytoplasme contenu dans l'espace limité par la membrane, dans lequel se trouvent des ribosomes et tout l'équipement enzymatique assurant la vie cellulaire ;
  • une information génétique, pouvant être ou non enfermée dans un noyau, mais toujours constituée d'ADN.

Les cellules qui n'ont pas de noyau pour contenir l'information génétique sont des procaryotes. Celles qui possèdent un noyau contenant l'information génétique sont des eucaryotes.

La structure générale d'une cellule eucaryote animale peut être schématisée.

Une cellule eucaryote animale

Une cellule eucaryote animale

La cellule est donc un ensemble complexe, constitué d'organites, eux-mêmes formés de molécules.

Situer les ordres de grandeur

Situer les ordres de grandeur

III

La structure de la membrane plasmique

A

La composition de la membrane plasmique

La cellule est limitée par une membrane plasmique de 7,5 nm qui joue le rôle de barrière entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire (cytoplasme). Elle assure les échanges entre la cellule et son environnement. Cette membrane est composée majoritairement de lipides et de protéines.

Les acides gras comme l'acide palmitique (\ce{C16H32O2}) font partie des lipides.

Les lipides formant la membrane ont une structure avec deux « pôles » :

  • un pôle hydrophobe « refusant » le contact avec l'eau ;
  • un pôle hydrophile « recherchant » le contact avec l'eau.
Représentation d'un lipide 

Représentation d'un lipide 

Les lipides sont organisés en bicouche (bicouche lipidique), et des protéines s'insèrent dans ces couches. On trouve également des glucides fixés sur les protéines ou sur les lipides, mais uniquement sur la face externe de la membrane. 

La composition de la membrane plasmique

La composition de la membrane plasmique

B

Les fonctions de la membrane plasmique

La membrane plasmique est l'un des éléments les plus importants d'une cellule.

Elle assure des rôles fondamentaux :

  • Protection de l'intérieur de la cellule vis-à-vis des variations du milieu extérieur. Ce sont majoritairement les lipides qui assurent cette fonction, ils rendent la cellule imperméable. 
  • Échanges : La cellule doit impérativement échanger de la matière, de l'énergie, de l'information avec son milieu de vie. Ces échanges se font majoritairement par l'intermédiaire des protéines.
  • Reconnaissance et adhésion cellulaire : Les cellules, au sein des tissus, sont liées les unes aux autres, et interagissent avec la matrice extracellulaire. La membrane plasmique assure ce rôle, essentiellement grâce aux protéines.
  • Communication cellulaire : C'est sur la membrane plasmique que sont localisés de nombreux récepteurs hormonaux, et c'est grâce aux protéines membranaires que les messages de la cellule sont transmis.