Portail de la biologie cellulaire Auteur : Yasmina ANTEUR http://www.bio-courses.jimdo.com Licence : Chapitre I : Généralités sur la cellule Plan du cours: I- Introduction II- Les différents domaines du vivant III- La cellule procaryote IV- Les archées ou archéobactéries V- La cellule eucaryote 1- Hypothèses sur l origine de la cellule eucaryote 2- Structure de la cellule eucaryote VI- Tableau résumant les différences subsistant entre cellules procaryote et eucaryote VII- Références
I-Introduction : -En 1839, T.Schwann et M.Schleiden énoncèrent la théorie cellulaire qui stipule que tous les êtres vivants sont formés de petites structures appelées cellules Figure 1 : Theodor Schwann Figure 2 : Matthias Schleiden -Le mot cellule provient du latin : cellula nom qui leur fut attribué par Robert Hooke en 1665 qui en observant un morceau de liège avait fait l homologie entre ces petites unités et les chambres d un monastère Figure 3 : Robert Hooke -1-
- Ainsi on peut définir une cellule comme unité morphologique, fonctionnelle et reproductrice de tout être vivant. - Les organismes unicellulaires comme leur nom l indique sont formés d une seule cellule capable d orchestrer plusieurs fonctions à la fois comme la nutrition, la reproduction, la défense etc. - Les organismes pluricellulaires, sont formés de plusieurs cellules qui interagissent entre elles mais qui sont également capables de fonctionner chacune de façon indépendante. - Chez ces organismes, les cellules qui se ressemblent et qui accomplissent la même fonction sont regroupés en tissus permettant une division et une spécialisation du travail. II-Les différents domaines du vivant : - Il existe deux catégories de cellules dans le monde vivant : les procaryotes et les eucaryotes - Entre ces deux types subsiste une catégorie nommée archéobactéries qui sont des organismes unicellulaires procaryotes mais qui se rapprochent plus des eucaryotes - Avant les travaux de phylogénie 1, les archéobactéries ou archaea comme ils sont appelés actuellement étaient classés avec les bactéries dans le même règne - C est la comparaison des séquences codant les ARN ribosomiques qui a permis d établir la nouvelle classification du monde vivant qui est constitué de 3 domaines : * Le domaine des bactéries ou Eubacteria * Le domaine des archéobactéries ou Archaea * Le domaine des eucarytotes ou Eukarya (1) Phylogénie : étude de la formation et l évolution des organismes vivants en vue d établir leur parenté -2-
Domaine des bactéries Domaine des archéobactéries Domaine des eucaryotes Ancêtre commun Figure 4 : Diagramme représentant la relation évolutive entre les trois domaines Les études phylogéniques ont montré que les bactéries étaient différentes des archéobactéries et des eucaryotes, ce qui laisse à penser que l ancêtre qui leur a donné naissance s est séparé très tôt de la lignée qui a donné naissance aux autres domaines III-La cellule procaryote : - le mot procaryote dérive du latin «pro» qui veut dire avant et du grec «caryon» qui signifie noyau, cette appellation est due au fait que ces cellules ne possèdent pas de noyau : leur support génétique est en contact direct avec le cytoplasme - Les procaryotes sont représentés par les bactéries et les archéobactéries - Ce sont les cellules les plus petites et les plus rudimentaires - Les procaryotes sont les organismes les plus abondants qui se sont adaptés à plusieurs milieux parfois rigoureux comme certaines archéobactéries vivant dans les sources chaudes ou dans des milieux très acides - Forme : il existe 3 formes de base pour les procaryotes : * Le bacille : forme en bâtonnet * La coque : Forme sphérique * Le spirille (ou spirochète): forme longue et hélicoïdale - Les bactéries en forme de bâtonnet ou de coque sont capables de former des associations appelées colonies, les spirochètes quant à eux n en forment pas. - Les procaryotes, notamment les bactéries participent dans l établissement d un certain équilibre dans la biosphère en jouant un rôle essentiel dans les cycles d azote, de carbone ou encore de soufre. Elles réalisent également la plus grande partie de la photosynthèse terrestre -3-
- Cependant, certains groupes de procaryotes sont responsables de plusieurs maladies ex : le Bacille de Koch qui est l agent causal de la tuberculose. - Structure : Elle est particulièrement simple comme le représente le schéma suivant : - Ainsi une cellule procaryote comprend : Figure 5 : Structure d une cellule procaryote (bactérie) * Un cytoplasme : unique compartiment chez les procaryotes, il est formé de réserves nutritives sous formes d inclusions (lipidiques, protidiques et glucidiques), du matériel génétique de la bactérie qui y baigne et de ribosomes. * Un chromosome «bactérien» : il s agit d un filament circulaire d ADN qui constitue le support génétique chez la cellule bactérienne. Il est également possible d observer chez les bactéries des structures d ADN circulaire extrachromosomiques appelées plasmides * Des ribosomes : Un ribosome est une structure formée de deux sous unités (une grande sous unité de 50S et une petite sous unité de 30S). Chaque sous unité est formée d une molécule d ARN ribosomial associée à des protéines. Les ribosomes sont des catalyseurs de la synthèse protéique : ils parcourent les brins d ARNm et traduisent ses différentes séquences en acides aminés qu ils assemblent pour former des polypeptides ou des protéines * une membrane plasmique : structure délimitant le contenu cellulaire. Elle est formée d une bicouche de phospholipides, de protéines et de résidus glucidiques qui sont liés aux deux molécules précédentes. -Elle régule le transit des nutriments et des déchets à travers la cellule en jouant le rôle de barrière sélective à l égard de diverses molécules. -C est à son niveau que se déroule également plusieurs processus métaboliques (respiration, photosynthèse etc.) et par elle que sont détectés les signaux provenant du milieu externe -4-
* Une paroi : -Formée de peptidoglycane, la paroi est une structure qui recouvre la plupart des cellules procaryotes -Elle donne aux bactéries leurs formes et participe à leur protection contre les différentes agressions mécaniques et chimiques -Selon la structure de la paroi on peut distinguer deux catégories de bactéries : les Gram+ et les Gram-, la détermination de ces types ce fait grâce à une technique de coloration élaborée par le microbiologiste Danois Hans Christian Gram. -Les mycoplasmes sont des bactéries ne possédant pas de paroi * Une capsule (facultative) : - La capsule est une structure qui ne se rencontre pas chez toutes les bactéries, sa présence peut être interprétée comme signe d une éventuelle pathogénicité - Elle est formée de polysaccharides et confère aux bactéries qui la possèdent une protection supplémentaire contre la phagocytose *Des pili : «pluriel de pilus» - Également appelés Fimbriae, ce sont des expansions extracellulaires en forme de poils que possèdent certaines espèces de bactéries - Ils ont pour rôle de permettre aux bactéries de s attacher à d autres congénères ou à un support - Le pilus sexuel en est un type particulier : car il permet à une bactérie de réaliser le phénomène de conjugaison qui consiste en un transfert de matériel génétique entre deux bactéries (donneuse et receveuse) * Un ou plusieurs flagelles : - Polymères de flagelline en forme de fin filaments dont sont pourvues certaines bactéries - Structure extracellulaire permettant aux bactéries de se déplacer IV-Les archées ou archéobactéries : - Les archées ou archéobactéries comme ils furent appelés auparavant sont des organismes procaryotes tout comme les bactéries. - Cependant ils se distinguent d eux du point de vue biochimique et moléculaire, les différences entre les archées et les bactéries concernent 4 points essentiels : * La membrane plasmique : la membrane cellulaire des procaryotes est formée d une bicouche lipidique. Cependant celle des archées est formée de lipides dont la structure est différente * La paroi cellulaire : Les procaryotes sont caractérisés par la présence d une paroi qui les protège contre diverses agressions provenant du milieu externe. La paroi des bactéries est formée de peptidoglycane, celle des archées en est dépourvue. * Mécanisme de traduction des gènes : Les bactéries possèdent des protéines ribosomiques et une ARN polymérase bien différentes de celle des eucaryotes. Les protéines ribosomiques et l ARN polymérase des archées présentent une plus grande similitude avec celles des eucaryotes -5-
* Architecture des gènes : il est connu que les gènes des bactéries sont dépourvus d introns. Ceux des archées se rapprochent plus des eucaryotes et comprennent des introns - Le terme archéobactéries descend du grec «archaio» qui signifie ancien, mais elles ne sont pas nécessairement plus anciennes que les bactéries comme l implique erronément leur nom - Les archéobactéries sont réparties en 3 catégories : * Les méthanogènes : produisent du méthane (CH 4 ) à partir de la réduction du dioxyde de carbone (CO 2 ) par l hydrogène (H 2 ) * Les extrêmophiles : sont capables de se développer dans des milieux très hostiles, on peut ainsi citer comme exemple : - Les thermophiles, qui se développent dans des températures très élevées - Les halophiles, qui vivent dans des milieux dont la teneur en sel est importante ex : la mer morte - Les archéobactéries tolérantes au ph, qui sont capable de vivre dans des milieux fortement acides ou basiques * Les archéobactéries non extrêmes : vivent dans des milieux non hostiles tout comme les bactéries V-La cellule eucaryote : - Des données chimiques attestent que les premiers organismes eucaryotes seraient apparus durant le précambrien il y a 2,7 milliards d années, cependant on ne dispose d aucune preuve archéologique qui le confirme - Les plus anciens microfossiles d eucaryotes qui sont notablement différents des procaryotes remontent à 1,5 milliards d années - Ces cellules fossiles étaient plus volumineuses et présentaient une compartimentation semblable à celle des eucaryotes (présence de membranes internes) - Les premiers organismes eucaryotes étaient unicellulaires - Actuellement, il existe 4 règnes dans le domaine Eukarya : * Les protistes : organismes unicellulaires eucaryotes * les mycètes ou champignons * Les plantes * Les animaux Se sont des organismes pluricellulaires -6-
1-Hypothèses sur L origine de la cellule eucaryote : Pour expliquer l origine de la cellule eucaryote, les scientifiques ont pensés à deux scénarios qui se sont succéder au cours du temps : * Origine du noyau et du réticulum endoplasmique(re) : -Selon les scientifiques, la première cellule eucaryote ancestrale serait une descendante d une cellule procaryote : comment s est faite cette conversion? -Selon eux, le réseau intramembranaire (réticulum endoplasmique) qui caractérise les cellules eucaryotes serait un dérivé des invaginations de la membrane plasmique qu on retrouve chez les procaryotes, ces invagination se seraient étendues dans tous l espace cellulaire interne formant ce qu on appel actuellement le RE -L enveloppe nucléaire quant à elle, se serait développée par l extension du RE * Origine des mitochondries et des chloroplastes : «la théorie endosymbiotique» - La théorie de l endosymbiose propose que les mitochondries et les plastes dérivent de bactéries symbiotiques - En effet, une cellule eucaryote ancestrale dont l origine fut décrite précédemment aurait intégré dans son cytoplasme une bactérie aérobie qui lui permettait de réaliser le cycle Krebs et survivre ainsi dans un milieu qui s enrichissait de plus en plus en oxygène - Les bactéries qui se rapprochent le plus des mitochondries sont les bactéries pourpres non sulfureuses capables d effectuer un métabolisme oxydatif - L origine des plastes est également expliquée de la même façon, seule différence : il s agirait cette fois-ci de cyanobactéries capables de réaliser une photosynthèse - Plusieurs données sont en faveur de cette théorie : Membrane semblable à celle des procaryotes Leur réplication se fait par scission binaire tout comme les bactéries Ces organites possèdent leur propre ADN de forme circulaire faisant rappeler à celui des procaryotes, Ils possèdent également des ARN t et des ribosomes dont la taille et la structure se rapprochent de celle des ribosomes bactériens - Au cours du temps la plus grande partie des gènes mitochondriaux ont subit un transfert vers le noyau de la cellule hôte rendant les endosymbiontes «mitochondries» dépendants de celleci - Néanmoins, ils sont arrivés à conserver quelques gènes qui codent pour des protéines servant dans le métabolisme oxydatif -7-
Figure 6 : Origine des eucaryotes «d après Chantal Proulx» 2-Structure de la cellule eucaryote : -Toute cellule eucaryote est formée d un noyau qui protège le support de l information génétique de la cellule «l ADN». Le noyau ainsi que les autres organites cellulaires qui vont être décrits par la suite, baignent dans une matrice semi fluide appelée «cytosol». Le tout est délimité par la membrane plasmique qui contrôle les échanges cellulaires. -Les cellules végétales possèdent en plus de la membrane, une paroi de nature péctocellulosique qui chez les champignons est formée de chitine -Il est possible de classer les cellules eucaryotes en deux catégories : La cellule animale : Figure 7 : structure d une cellule animale «d après Chantal Proulx» -8-
La cellule végétale : Figure 8 : structure d une cellule végétale «d après Chantal Proulx» Le tableau suivant donne une description succincte des différents éléments d une cellule eucaryote et décrit le rôle de chacun : Structure Description Fonction Paroi Couche externe formée de pectine et de cellulose chez les végétaux ou de chitine chez les mycètes -Protection de la cellule contre les différentes agressions extérieures -Maintient la forme de la cellule Membrane plasmique Réticulum endoplasmique Appareil de Golgi Lysosome Peroxysome Bicouche de lipides incluant également des protéines et des résidus glucidiques Réseau de membranes internes Ensemble de saccules aplaties comprenant deux faces (cis et trans) Vésicule contenant des enzymes Vésicules capables d autoréplication, contenant des protéines, des lipides ainsi que des enzymes d oxydation utilisant de l O 2 et du H 2 O 2 -Régulation des échanges intra et extracellulaires - Reconnaissance entre les cellules -Compartimentation cellulaire - Participation dans la synthèse des protéines et des lipides - Régénération de la membrane plasmique -Emballage, tri et transformation des molécules synthétisées par le RE - Formation de vésicules de sécrétion Digestion intracellulaire Participe au phénomène de détoxification cellulaire -9-
Cytosquelette Noyau Nucléole Ribosome Réseau de filaments protéiques Ces filaments sont de trois types : *Les microfilaments ou filaments d actine *Les microtubules *Les filaments intermédiaires Organite sphérique à enveloppe caractéristique des eucaryotes renfermant le matériel génétique «ADN» Dans le noyau, corps dense, sphéroïde non limité par une membrane Organite formé de deux sous unités : une petite sous-unité de 40S et une grande sousunité de 60S Chaque sous-unité est formée de l association entre des protéines et des ARN r -Assurent à la cellule sa forme -Fixent les organites dans le cytosol -Permettent le mouvement des organites et de certaines molécules -Cerveau de la cellule qui contrôle diverses activités comme la synthèse protéique et la reproduction cellulaire -Synthèse des ARN ribosomiaux -Assemblage des ribosomes Catalyseurs de la synthèse protéique Mitochondrie Organite ressemblant à une bactérie possédant une double membrane, des ribosomes et son propre ADN Centre énergétique de la cellule : synthèse de l ATP - Site du métabolisme oxydatif Chloroplaste Amyloplaste Chromoplaste Vacuole centrale Organite ressemblant à une bactérie, possédant : *une double membrane *un réseau de membranes internes organisé en hyaloïdes qui contiennent de la chlorophylle *des ribosomes *son propre matériel génétique «ADN» Organite à double membrane caractéristique de la cellule végétale Autre organite à double membrane caractéristique de la cellule végétale Sac membranaire Site de la photosynthèse chez la cellule végétale Stockage de l amidon Stockage de différents pigments jaunes et orangés Stockage des pigments, de l eau des nutriments mais également des déchets -10-
VI-Tableau résumant les différences subsistant entre cellules procaryote et eucaryote : Critère de comparaison Cellule procaryote Cellule eucaryote Taille 1-10 μm 10-100 μm Noyau Pas de noyau, le matériel génétique est en contact direct avec le cytosol Le matériel génétique est isolé du cytosol par une enveloppe nucléaire formant ainsi une structure appelée noyau Division Scission binaire ou scissiparité Mitose et méiose pour certaines cellules (gamètes) Génome Le génome est représenté par un seul chromosome Le génome est reparti sur plusieurs chromosomes dont le nombre diffère selon les espèces Structure extrachromosomique Oui (plasmide) non Synthèse protéique Les deux étapes de la synthèse protéique à savoir la transcription et la traduction se déroulent au même lieu La transcription se déroule au niveau du noyau et la traduction au niveau du cytoplasme «cytosol» et en même temps Paroi Formée de peptidoglycane Formée de cellulose et de pectine chez la cellule végétale et de chitine chez les champignons Membrane plasmique présente présente Réticulum endoplasmique absent présent Organites cellulaires Absents sauf ribosomes Présents Structure des ribosomes Deux sous-unités de 50S et 30S Deux sous-unités de 60S et 40S Localisation des ribosomes Dispersés dans le cytoplasme Dispersés dans le cytoplasme et lié au réticulum endoplasmique Endocytose(phagocytose et non oui pinocytose) Mouvement Se fait à l aide de cils et de flagelles Certaines cellules sont pourvues de cils et de flagelles VII- Références : P. Raven, J. Losos, G. Johnson, S. Singer. Biologie, de boeck, 1 ère édition, 2007, 1250pp. R. Forêt. Dico de Bio, de boeck, 2 ème édition, 2006, 639pp. -11-
Le site de Chantal Proulx. Biologie I 701. [en ligne]. http://www.colvir.net/prof/chantal.proulx/701/plan-cours.html. Page consultée le 27/06/2010 Enseignement et recherche biochimie université d Angers. Emmanuel Jaspard. Biologie cellulaire comparaison cellule procaryote eucaryot [en ligne]. http://ead.univangers.fr/~jaspard/page2/textetd/5tdbiocelll1/1tdcomparproeucar/1tdcompproeucar.ht m#hautpage. Page consultée le 30/06/2010 Ce document est soumis à une licence Creative Commons Si vous souhaitez connaitre les termes exacts de ce contrat, consultez la page suivante : http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/fr/ -12-