PRÉPARATION PAES (UE 2 LA CELLULE ET LES TISSUS). Chapitre 1 : La cellule, unité du vivant. D après le cours du Pr Cohen. Prépa Med Lycée Antoine de Saint-Éxupéry 2-4 rue Henri Matisse 94000 Créteil dubar.marie@gmail.com 1
Introduction Figure 1 : Classification générale du vivant. D après Comprendre et enseigner la classification du vivant (2 ème édition), Belin 2008. Quel est le point commun à tous les êtres vivants? 2
I- Les cellules procaryotes. Les cellules procaryotes sont représentées par les bactéries. Ce sont les organismes les plus simples trouvés dans l environnement naturel. Les bactéries sont des cellules sphériques (cocci) ou en forme de bâtonnet (bacille) mesurant quelques microns. Elles sont entourées d une paroi cellulaire résistante recouverte, sur la face interne, d une membrane plasmique. Le cytoplasme ne comporte aucune structure interne organisée. Il renferme des protéines, des petites molécules, de l ADN et de l ARN. L ADN est circulaire et il est lié à la membrane plasmique. Les bactéries se multiplient rapidement en se divisant en deux par scissiparité. Dans de bonnes conditions de survie, la bactérie peut se diviser toutes les 20 minutes. Le métabolisme des bactéries peut être aérobie ou anaérobie selon que l oxygène est nécessaire à la transformation ou non des aliments en ATP qui constitue une réserve d énergie directement utilisable par toutes les cellules. Figure 2 : schéma de l organisation d une cellule procaryote Figure 3 : Principe de la scissiparité. Figure 4 : Organismes unicellulaires et pluricellulaires. 3
II- Les cellules eucaryotes. Les cellules eucaryotes sont des cellules beaucoup plus grandes (10 à 100 m) et plus complexes que les cellules procaryotes. On les trouve chez les champignons, les végétaux et les animaux. À l inverse des bactéries, les cellules eucaryotes se développent principalement en organismes pluricellulaires à l exception des protistes et notamment des protozoaires. Les cellules eucaryotes sont limitées par une membrane plasmique (chapitre 5) et possèdent, par définition, un noyau (chapitre 2) limité par une double couche membranaire. Chez les eucaryotes, l ADN est sous la forme de longs brins associés à des protéines et empaquetés pour former des chromosomes. L ADN stocke l information génétique qui détermine la structure des protéines cellulaires (chapitre 3). Comme la synthèse des protéines a lieu en dehors du noyau, dans le cytoplasme, l information génétique est transférée du noyau dans cet autre compartiment par une molécule particulière, l ARN messager. C est aussi dans le cytoplasme qu ont lieu la plupart des réactions métaboliques de la cellule. Une autre caractéristique des cellules eucaryotes est de posséder, dans le cytoplasme, de nombreux organites limités par une membrane (chapitre 6) : - les mitochondries : arrondies ou ovalaires, mesurant de 0,5 à 1 m de diamètre. Leur rôle est de combiner l oxygène avec des molécules alimentaires pour fabriquer l ATP. L existence des mitochondries est une caractéristique presque universelle des cellules eucaryotes et, pour cette raison, toutes les cellules eucaryotes ont un métabolisme aérobie. - le réticulum endoplasmique : espace labyrinthique limité par une membrane. Il intervient dans la synthèse des lipides et des protéines qui composent les membranes cellulaires et dans la fabrication des protéines destinées à être exportées hors de la cellule. - l appareil de golgi : formé d empilement de sacs aplatis, limités par une membrane. Il intervient dans la glycosylation des protéines préalablement synthétisées dans le réticulum endoplasmique et joue un rôle important dans le trafic intracellulaire de ces protéines. - les lysosomes : organites de forme arrondie et contenant de nombreuses enzymes impliquées dans la dégradation des composants cellulaires et des molécules ou particules ingérées par la cellule. Dans une cellule, ces compartiments occupent la moitié du volume cellulaire total. Le compartiment restant du cytoplasme, qui inclut tout ce qui n est pas organites entourés d une membrane, est appelé cytosol. Figure 5 : Schéma de l organisation d une cellule eucaryote. 4
Figure 6 : Les différentes organites. Une autre caractéristique de toutes les cellules eucaryotes est de posséder un squelette interne, le cytosquelette, qui donne à la cellule sa forme, la capacité de se mouvoir et son aptitude à ordonner ses organites et à les transporter d un endroit de la cellule à l autre. Le cytosquelette est composé d un réseau de filaments : filaments d actine, microtubules et filaments intermédiaires. Dans les organismes pluricellulaires, les cellules sont en contact étroit entre elles ou avec la matrice extracellulaire, par l intermédiaire de ces contacts, influence la différenciation et le fonctionnement des cellules. Figure 7 : Le cytosquelette. 5
III- Origine des cellules eucaryotes. On pense que tous les organismes vivants dérivent d une seule cellule primitive, née il y a quelques milliards d années. Cette cellule était un procaryote ancestral à l origine des procaryotes actuels et des cellules eucaryotes. Le passage des procaryotes aux eucaryotes pourrait avoir eu lieu il y a 1,5 milliard d années. Comme nous l avons vu, la présence de mitochondries dans le cytoplasme est une caractéristique des cellules eucaryotes. Les mitochondries présentent de nombreuses similitudes avec les procaryotes. En effet, ces organites ont une taille et une forme semblable aux bactéries, se divisent par scissiparité et contiennent de l ADN. De plus, le mécanisme par lequel les mitochondries utilisent l oxygène est très proche de celui utilisé par les bactéries aérobies. Pour l ensemble de ces raisons, les mitochondries pourraient dériver des bactéries. Comme la mitochondrie est le seul organite des cellules eucaryotes à utiliser l oxygène pour former l ATP, il semble donc probable que les cellules eucaryotes sont des descendants d organismes primitifs anaérobies qui ont survécu dans un monde devenu riche en oxygène par intégration de bactéries aérobies. Figure 8 : Origine de la structure des cellules eucaryotes : la mitochondrie, le noyau et le réticulum endoplasmique. La longueur de l ADN des cellules eucaryotes est si grande que des risques de cassure ou d enchevêtrement pourraient survenir si la cellule n avait pas développé des systèmes de protection ; ces systèmes de protection sont au nombre de deux : - la création d une enveloppe nucléaire qui isole l ADN du cytoplasme et du mouvement incessant des organites intracellulaires - l apparition de protéines propres aux cellules eucaryotes, les histones, qui se lient à l ADN et sont responsables de son repliement ordonné dans les chromosomes. L importance de ces protéines est démontrée par le fait qu elles ont été remarquablement conservées au cours de l évolution. Figure 8 : L ADN. L apparition de la membrane nucléaire a eu pour conséquence d isoler deux étapes cruciales de l expression des gènes dans les cellules eucaryotes : la copie de l ADN en ARN (transcription) et l utilisation de ces copies d ARN pour diriger la synthèse protéique (traduction). Dans les cellules procaryotes où il n existe qu un compartiment, la traduction des séquences d ARN commence dès qu elles sont transcrites, avant même que leur synthèse ne soit achevée. Chez les eucaryotes, ces deux étapes sont strictement séparées : la transcription a lieu dans le noyau, la traduction dans le cytoplasme. L ARN doit donc quitter le noyau avant de pouvoir diriger la synthèse protéique. Dans le noyau, l ARN a donc le temps de subir des modifications complexes au cours desquelles certaines parties de la molécule d ARN sont éliminées alors que d autres sont modifiées. Du fait de ces complexités, le matériel génétique d une cellule eucaryote présente beaucoup plus de possibilités de contrôle qu il y en a chez les bactéries. 6
IV- Organisation des cellules entre elles. Les organismes pluricellulaires sont constitués d une grande variété de types cellulaire. Chez l homme on en dénombre plus de 200. Certains types cellulaires s associent entre eux, d autres s associent entre différents types cellulaires afin de former une entité morphologique particulière avec des fonctions bien déterminées. Les épithéliums comprenant des cellules jointives peuvent s associer en une ou plusieurs couches formant ainsi une barrière de protection mais aussi d échanges. C est le cas par exemple de l épiderme, ou du tube digestif. Le tissu nerveux est composé de deux types cellulaires, les cellules gliales et les neurones. Le tissu musculaire est composé de cellules dotées de propriété de contractilité. Il existe trois types de tissus musculaires associés chacun à des fonctions spécifiques (striés associées au squelette, lisses localisées dans les viscères et les vaisseaux et cardiaque que l on retrouve dans le myocarde. Le tissu sanguin est composé de différents types cellulaires non joints entre eux mais faisant partie d un réseau (artériel et veineux). Le terme de tissus est dans ce cas un abus de langage. Les organes sont des entités anatomiques et fonctionnelles (rein, œil ) formées par plusieurs types de cellules. Figure 9 : Classification des épithéliums. Conclusion La cellule est la plus petite unité capable de vivre de façon autonome. Elle renferme des molécules. Chez les organismes faits de plusieurs cellules, les cellules peuvent être regroupées en organes. Les caractères communs aux cellules de tous les êtres vivants suggèrent que ces derniers sont parents. Ils partagent un très lointain ancêtre qui leur a légué ces caractères communs. 7