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cellule

(latin cellula, diminutif de cella, chambre)

Cellules vues au microscope
Cellules vues au microscope

Structure microscopique complexe, constitutive de tous les êtres vivants et caractérisée par son pouvoir d'assimilation.

BIOLOGIE

1. La cellule, unité de base des êtres vivants

Élément de base constituant tous les êtres vivants (animaux, plantes, champignons ou micro-organismes), la cellule est une entité biologique d'une très grande complexité, en dépit de ses dimensions microscopiques. Si l'homme, les animaux et les végétaux sont formés de l'assemblage d'un très grand nombre de cellules, la plupart des bactéries et de nombreux autres micro-organismes (les protistes, tels les amibes ou les paramécies) se limitent à une cellule unique, ce qui fait de celle-ci le plus petit élément capable d'une vie autonome. La discipline de la biologie qui a pour objet la cellule vivante est la cytologie, ou biologie cellulaire.

Unité structurale et fonctionnelle des organismes vivants, la cellule est un espace clos séparé du milieu environnant par une membrane périphérique, la membrane plasmique. Une enveloppe protectrice de structure variable, la paroi cellulaire, entoure la membrane plasmique des cellules des végétaux et de celles de la plupart des bactéries.

1.1. Cellule procaryote versus cellule eucaryote

L'organisation interne diffère selon le type de cellule : alors que les cellules des bactéries, dites « procaryotes », ne sont pas cloisonnées, celles de tous les autres organismes (à l’exception des virus, qui n’ont pas de structure cellulaire du tout), dites « eucaryotes », sont subdivisées en nombreux compartiments par un ensemble de membranes, de même structure que la membrane plasmique.

La cellule procaryote

Les cellules procaryotes présentent l'organisation la plus simple. Leur milieu interne, le cytoplasme, renferme une molécule unique d'ADN (acide désoxyribonucléique) double brin, de forme circulaire, souvent appelée « chromosome bactérien » (bien qu’il ne s’agisse pas d’un chromosome au sens strict du terme). Divers éléments internes (vacuoles, inclusions de différentes natures, ribosomes impliqués dans la fabrication des protéines, etc.) baignent dans le cytoplasme bactérien.

Certaines bactéries sont mobiles grâce à de longs filaments, les flagelles, qui s'insèrent dans leur paroi externe et se déploient dans l'environnement. En outre, la plupart des bactéries possèdent de petites molécules d'ADN circulaires en dehors du chromosome, appelées « plasmides ».

La cellule eucaryote

La cellule de tous les organismes non bactériens, unicellulaires comme pluricellulaires, du plus simple au plus complexe, est de type eucaryote. Elle possède un noyau qui renferme le matériel génétique et l’isole au sein de la cellule. Par ailleurs, elle se caractérise par un système de membranes internes formant des cloisons dont certaines délimitent des éléments internes, clos et distincts, les organites. Les différents types d’organites assurent des fonctions biologiques particulières (les mitochondries, par exemple, sont responsables de la respiration cellulaire).

1.2. Organisation de la cellule

La membrane plasmique

Enveloppe externe de la cellule (doublée par une paroi à base de cellulose chez les végétaux), la membrane plasmique, ou membrane cellulaire, est constituée de molécules de lipides (40 % du poids sec, phospholipides principalement), de protéines (50 %) et de glucides (10 %). Outre son rôle protecteur, cette enveloppe d'une grande mobilité (permettant à de nombreuses cellules de se déformer) est le siège des mécanismes de reconnaissance des éléments venant à son contact et d'échanges avec le milieu extérieur. Dans la cellule eucaryote, la membrane se prolonge par un important réseau interne, qui délimite les organites, ainsi que des vacuoles (vésicules remplies de liquide).

Le cytoplasme

Dans la cellule procaryote, le cytoplasme contient, en « suspension », à la fois le matériel génétique sous forme d’ADN et toutes les molécules responsables des différentes fonctions de la cellule (respiration, synthèses, dégradations, etc.).

Dans la cellule eucaryote, le cytoplasme renferme de nombreux organites spécialisés chacun dans une fonction. Un système de cloisons membranaires, constituant le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi (qui font également partie des organites cellulaires), le compartimente. Un réseau de nature protéique, le cytosquelette, le quadrille.

Au sein du cytoplasme, les organites baignent dans une gelée aqueuse, le cytosol, renfermant de nombreuses protéines (notamment des enzymes) et des ribosomes libres (impliqués dans la fabrication des protéines par la cellule).

Le cytosquelette

constitue à la fois la charpente de la cellule et le moteur de ses mouvements. Ses filaments protéiques, tous reliés entre eux, appartiennent à trois grands types de structures : les microfilaments (diamètre : 7 à 9 nanomètres [nm]), les microtubules (diamètre : 30 nm) et les filaments intermédiaires (diamètre : 8 à 14 nm). La contraction des microfilaments est à l'origine de tous les mouvements au sein du cytoplasme, ainsi que des déformations de la cellule.

Les organites

N’existant que dans la cellule eucaryote, ils forment un ensemble d'éléments distincts, entourés d'une membrane. Les principaux organites de la cellule eucaryote sont le noyau (qui renferme l'ADN), les mitochondries (qui assurent la respiration et la production d'énergie), les plastes (présents uniquement chez les végétaux), le réticulum endoplasmique (responsable de la fabrication des matériaux cellulaires, notamment des protéines) et l'appareil de Golgi (qui assure la maturation des protéines).

Le noyau

En dehors des phases de division (mitose et méiose), la cellule eucaryote possède un noyau bien individualisé, entouré par une double membrane, l'enveloppe nucléaire. Cette enveloppe est percée de pores et sa face externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique. Le noyau renferme la chromatine, composée d'ADN lié à des protéines (les histones), et porte une ou plusieurs « taches », les nucléoles ; lors de la division cellulaire, la chromatine se condense pour former les chromosomes, et le noyau se déstructure.

Les nucléoles sont des zones fibreuses où est synthétisé l'ARN (acide ribonucléique) qui entre dans la composition des ribosomes, par transcription des portions d’ADN correspondantes : assemblé avec des protéines, l'ARN ribosomique forme les ribosomes, qui passent dans le cytoplasme. C'est au niveau des ribosomes, dans le cytoplasme, que sont fabriquées toutes les protéines cellulaires (phénomène de traduction).

Les mitochondries

Ces organites limités par une double membrane produisent l'énergie nécessaire à la vie de la cellule (respiration cellulaire). Mesurant de 2 à 10 micromètres de long, les mitochondries sont plus abondantes là où la demande énergétique est plus forte (cellules musculaires, par exemple). Leur membrane interne s'invagine pour former des crêtes, qui les traversent souvent entièrement dans le sens de la largeur. Elles renferment un matériel génétique qui leur est propre (ADN mitochondrial).

Le réticulum endoplasmique

Présent chez toutes les cellules eucaryotes, le réticulum endoplasmique assure à la fois des fonctions de synthèse et de transport des protéines et des lipides. Le réticulum endoplasmique rugueux est parsemé de ribosomes, tandis que le réticulum endoplasmique lisse ne porte aucun ribosome.

L'appareil de Golgi

Localisé près du noyau, il se présente sous la forme d'un ou de plusieurs empilements de saccules, entourés de nombreuses petites vésicules. C'est à son niveau que se font le tri et la maturation de la majorité des protéines issues du réticulum endoplasmique.

Caractéristiques particulières de la cellule végétale

La cellule végétale (ainsi que celle de nombreux protistes) partage avec la cellule animale l'essentiel de ses caractéristiques, mais présente trois structures originales : une paroi cellulosique, des plastes (principalement des chloroplastes) et une ou plusieurs vacuoles.

La paroi cellulosique

La paroi cellulosique est située à l'extérieur de la membrane plasmique. Composée de cellulose et d'une protéine, la pectine (sauf chez certaines algues et chez les champignons), elle joue un rôle protecteur et donne sa rigidité à la cellule végétale.

Les chloroplastes

Les chloroplastes convertissent l'énergie solaire pour synthétiser de la matière organique (sous forme de glucides) à partir de gaz carbonique et d'eau. C’est le phénomène de photosynthèse. Ainsi, grâce aux chloroplastes, les végétaux fabriquent leurs propres constituants ; on dit qu’ils sont autotrophes (→ nutrition).

Les vacuoles

Les vacuoles, qui se forment par la fusion de vésicules provenant de l'appareil de Golgi, jouent un rôle important dans les échanges d'eau entre la cellule et le milieu extérieur et contribuent à son soutien (phénomène de turgescence). En outre, les vacuoles représentent le lieu préférentiel d'accumulation de substances de réserve ou d'excrétion.

1.3. La biologie de la cellule

Outre les réactions énergétiques assurées par les mitochondries (respiration cellulaire) et par les chloroplastes des végétaux (photosynthèse), la cellule effectue des échanges avec l'extérieur ; ces échanges, en partie déterminés par les concentrations des substances situées de part et d'autre de la membrane, sont contrôlés par des protéines enchâssées dans celle-ci. Par ailleurs, la cellule est capable d'édifier ses propres constituants (phénomène de biosynthèse) et de se reproduire (mitose et méiose).

Les échanges cellulaires

L'eau et quelques molécules de petite taille traversent la membrane par simple diffusion (dont le sens est déterminé par leurs concentrations de part et d'autre de la membrane). Dans le cas de l'eau, il s'agit du phénomène d'osmose. Toutefois, des protéines membranaires assurent un transport spécifique, qui augmente considérablement la vitesse de transit de la plupart des substances. Le transport passif, ou diffusion facilitée, tend toujours à équilibrer les concentrations, alors que le transport actif, qui consomme de l'énergie, se fait dans le sens opposé à celui que déterminent les différences de concentrations.

Quant aux grosses molécules et aux particules de grande taille (débris divers, bactéries, voire autres cellules eucaryotes), elles peuvent être « ingérées » par la cellule, selon différents types d'endocytose. Ceux-ci impliquent une invagination de la membrane plasmique. À l'inverse, la cellule libère des grosses molécules dans le milieu extérieur par exocytose.

Les biosynthèses

La cellule élabore des molécules complexes, lipides et protéines, à partir de molécules simples. Les lipides sont pratiquement tous synthétisés au niveau du réticulum endoplasmique lisse, alors que la synthèse des protéines s'effectue au niveau des ribosomes libres dans le cytoplasme ou fixés au réticulum endoplasmique rugueux. La structure de chaque protéine est codée par l'ADN du noyau. Cette biosynthèse, qui fait intervenir de nombreux composés (ARN, protéines diverses), s'achève dans l'appareil de Golgi.

Les divisions cellulaires

Le principal mode de multiplication cellulaire est la mitose. Celle-ci, qui engendre des cellules filles identiques à la cellule mère, est appelée également reproduction asexuée ou clonale, car elle conduit à une population de cellules ayant toutes la même origine et les mêmes caractéristiques génétiques, et qui forme donc un clone.

Cependant, la reproduction sexuée des êtres vivants fait intervenir un autre mode de reproduction cellulaire, qui ne concerne que la lignée des cellules sexuelles (ou gamètes) : la méiose. Les gamètes issus de la méiose comprennent la moitié du nombre initial de chromosomes. Le stock de chromosomes propre à l'espèce concernée se reconstitue lors de la fusion de deux gamètes de sexe opposé, c'est-à-dire lors de la fécondation.

2. Les cellules souches

2.1. Différents types

On distingue les cellules souches embryonnaires, dont les potentialités diminuent au fur et à mesure du développement de l'embryon (d'abord totipotentes, c'est-à-dire susceptibles d'engendrer tous les types de cellules de l'organisme, elles se spécialisent ensuite), et les cellules souches des « adultes », telles que les cellules hématopoïétiques, de la moelle rouge des os. Ces dernières sont à l'origine des cellules sanguines tout au long de la vie.

2.2. Cellules souches et clonage thérapeutique

Des cellules souches humaines peuvent être isolées et cultivées à partir d'embryons ou de fœtus, mais leur utilisation médicale, qui n'apparaît pas sans risques, pose des problèmes éthiques liés à l'emploi d'embryons humains (embryons surnuméraires de la procréation médicalement assistée, entre autres). Par ailleurs, les cellules souches adultes sont plus difficiles à prélever et à cultiver du fait de leur plus faible aptitude à se multiplier.

Cependant, on peut aussi obtenir des cellules souches en incluant le matériel génétique d'une cellule adulte dans une cellule œuf non fécondée (ovocyte) et privée de son noyau – ou dans une cellule embryonnaire précoce, elle aussi énucléée. Cette méthode, qui est celle du clonage, est à la base des programmes de recherche sur le « clonage thérapeutique ». En effet, de telles cellules souches apportent l'espoir de multiples applications médicales. Elles ont déjà été utilisées dans des greffes de moelle lors de leucémies et pourraient permettre de régénérer les tissus lésés dans de nombreuses maladies dégénératives (maladie de Parkinson ou d'Alzheimer, diabète, infarctus, etc.).

En France, le clonage thérapeutique est interdit, mais les recherches sur l'embryon humain « susceptibles de permettre des progrès thérapeutiques » sont autorisées ; l'importation de cellules souches embryonnaires ne faisant pas l'objet d'un projet parental (utilisation pour une procréation médicalement assistée) a été autorisée en 2004.

Pour en savoir plus, voir l'article cellule souche