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cellule

(latin cellula, diminutif de cella, chambre)

Cellules vues au microscope
Cellules vues au microscope

Élément de base de tous les êtres vivants.

BIOLOGIE

1. La cellule, unité de base des êtres vivants

Unité structurale et fonctionnelle de tous les êtres vivants (animaux, plantes, champignons et micro-organismes), la cellule est une entité biologique d'une très grande complexité, en dépit de ses dimensions microscopiques. Si les animaux et les végétaux sont formés de l'assemblage d'un très grand nombre de cellules (ce sont des organismes multicellulaires ou pluricellulaires), la plupart des bactéries et de nombreux autres micro-organismes (les protistes, tels les amibes ou les paramécies) sont formés d’une cellule unique (organismes unicellulaires). La cellule est donc le plus petit élément capable d'une vie autonome.

Elle représente 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.

La discipline de la biologie qui a pour objet l’étude des la cellules vivante est la cytologie, ou biologie cellulaire.

1.1. Cellule procaryote versus cellule eucaryote

En dépit de leurs nombreuses différences d'aspect et de fonction, les cellules possèdent toutes une membrane plasmique qui définit la frontière entre le milieu interne et le milieu externe de la cellule. Le milieu interne est une substance riche en eau, appelée cytoplasme. La membrane plasmique Toutes les cellules contiennent par ailleurs des informations héréditaires (gènes) portées par des filaments d’ADN. L’ADN contrôle les activités de la cellule et lui permettent de se reproduire en transmettant ses caractéristiques à ses descendantes, issues des divisions cellulaires ; il est le support de l’hérédité.

L'organisation interne de la cellule est de deux grands types :

- les cellules procaryotes (bactéries et archées) ne possèdent pas de membranes internes ou d'organites

- les cellules eucaryotes (tous les autres organismes à l’exception des virus, qui n’ont pas de structure cellulaire du tout) renferment des organites assurant chacun des fonctions différentes, notamment un noyau cellulaire (eucaryote signifie « vrai noyau ») qui renferme le matériel génétique (l'ADN).

La cellule procaryote

Les cellules procaryotes, qui comprennent les bactéries et les archées, présentent l'organisation la plus simple. Leur matériel génétique est constitué par une molécule unique d'ADN double brin, de forme circulaire, qui « flotte » dans le cytoplasme. Elle est souvent appelée « chromosome bactérien », bien qu’il ne s’agisse pas d’un chromosome au sens strict du terme. En outre, les bactéries et les archées possèdent (en-dehors du « chromosome ») de petites molécules d'ADN circulaires, appelées plasmides. Les fonctions cellulaires sont assurées par des éléments (ribosomes, enzymes, etc.) libres dans le cytoplasme.

Certaines bactéries sont mobiles grâce à de longs filaments, les flagelles, qui s'insèrent dans leur paroi externe et se déploient dans l'environnement.

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 de même structure que la membrane plasmique, formant des cloisons délimitant des éléments internes, clos et distincts, les organites. Ces derniers assurent les différentes fonctions biologiques de la cellule : les mitochondries, par exemple, sont responsables de la respiration cellulaire, les chloroplastes (chez les végétaux verts) de la photosynthèse, etc.

1.2. Organisation de la cellule

La membrane plasmique

La membrane plasmique, ou membrane cellulaire, est constituée de molécules de lipides (40 % du poids sec, phospholipides principalement, ainsi que du cholestérol et des glycolipides) organisées en bicouche, de protéines (50 %) et de glucides (10 %).

Outre son rôle protecteur, cette enveloppe d'une grande plasticité (ce qui permet 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, elle se prolonge par un important réseau de membranes internes, qui délimite les organites ainsi que les vacuoles (vésicules remplies de liquide).

Les protéines insérées dans la bicouche lipide sont responsables des fonctions de la membrane. Certaines la traversent de part en part (et ont ainsi une extrémité du côté interne et l’autre du côté externe), on les appelle protéines transmembranaires. D’autres s’insèrent dans l’une des deux couches lipidiques (interne ou externe) de la membrane.

Toutes les protéines affleurant du côté externe forment les protéines de surface de la cellule. Les glucides (oligosaccharides ou polysaccharides) sont associés soit aux protéines (formant des complexes appelés glycoprotéines), soit aux lipides (glycolipides). Ils forment une couche de feutrage appelée glycocalyx (ou cell-coat, « manteau cellulaire »), qui intervient dans l’adhérence entre les cellules, ainsi que dans les phénomènes de reconnaissance et de communication cellulaires.

Chez les végétaux et les champignons, la membrane plasmique est doublée à l’extérieur par une paroi rigide, non déformable, à base de cellulose chez les plantes et de chitine chez les champignons. Les cellules sont reliées entre elles par des ponts cytoplasmiques (appelés plasmodesmes) qui traversent les parois cellulaires et autorisent le passage de diverses molécules (hormones végétales par exemple).

Le cytoplasme

Le cytoplasme est le seul compartiment de la cellule procaryote. Il y contient, en « suspension », à la fois le matériel génétique sous forme d’ADN, des ribosomes libres (impliqués dans la synthèse des protéines), et toutes les molécules responsables des différentes fonctions de la cellule (respiration, photosynthèse, dégradations, etc.).

Dans la cellule eucaryote, le cytoplasme est généralement le compartiment le plus vaste. Il renferme de nombreux organites spécialisés chacun dans une fonction.

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

Le cytosquelette est un réseau tridimensionnel qui donne sa forme à la cellule, assure sa motilité et sert de support au déplacement des organites et des vésicules. Il constitue ainsi 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) ;

– 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, notamment les chloroplastes, qui réalisent la photosynthèse), 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, « pelote » d'ADN associée à des protéines (les histones), et porte une ou plusieurs « taches », les nucléoles. Lors des divisions cellulaires, la chromatine se condense pour former les chromosomes, tandis que l'enveloppe nucléaire se déstructure.

Les nucléoles sont des zones fibreuses où est synthétisé l'ARN qui entre dans la composition des ribosomes (ARNr), par transcription des portions d’ADN correspondantes : il est ensuite assemblé avec des protéines pour former les ribosomes, qui passent dans le cytoplasme.

Les mitochondries

Ces organites limités par une double membrane produisent l'énergie nécessaire à la vie de la cellule (respiration cellulaire) – c’est pourquoi l’on dit souvent que ce sont les usines énergétiques de la cellule. 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 des fonctions de synthèse et de transport des protéines et des lipides.

Le réticulum endoplasmique rugueux (REG) est parsemé de ribosomes : il récolte les protéines synthétisées par les ribosomes qui lui sont attachés et les transmet ensuite à l’appareil de Golgi.

Le réticulum endoplasmique lisse (REL) ne porte aucun ribosome ; il intervient entre autres dans la fabrication des lipides (par exemple les phospholipides membranaires), le stockage du calcium, la détoxification des cellules (par inactivation des molécules biologiquement actives).

L'appareil de Golgi

Localisé près du noyau, l'appareil de Golgi 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 rugueux.

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 rigide, des plastes (principalement des chloroplastes) et une ou plusieurs vacuoles.

La paroi cellulaire

La paroi cellulaire est située à l'extérieur de la membrane plasmique. Composée chez les plantes et les algues 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 cellules des champignons ont également une paroi cellulaire, constitué majoritairement de chitine (proche de la chitine composant la carapace des arthropodes).

Les chloroplastes

Présents uniquement chez les végétaux verts, les algues et les unicellulaires photosynthétiques (protophytes), les chloroplastes convertissent l'énergie solaire pour fabriquer 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 (→ osmose), 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 (sous la forme d’ATP, adénosine triphosphate), 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 et la formation de petite vésicules (dites vésicules d’endocytose).

À l'inverse, la cellule libère des grosses molécules dans le milieu extérieur par exocytose (les vésicules d’exocytose migrent jusqu’à la membrane plasmique et fusionnent avec elle pour libérer leur contenu à l’extérieur de la cellule).

La communication cellulaire

Dans les organismes pluricellulaires, les cellules, réunies en tissus spécialisés, doivent communiquer entre elles ; cette communication se fait par le biais de molécules messagers comme les hormones et les neuromédiateurs, qui se fixent sur des récepteurs membranaires et induisent une réponse intracellulaire (le plus souvent une cascade de réactions biochimiques).

Chez les animaux, les messagers sont transportés par le sang ou diffusent simplement dans le milieu extracellulaire. Chez les plantes, les cellules sont reliées entre elles par des ponts cytoplasmiques (appelés plasmodesmes) qui traversent la paroi cellulosique et autorisent le passage de diverses molécules, dont les hormones végétales.

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 engendre des cellules filles identiques à la cellule mère.

Chez les organismes unicellulaires, elle est le mécanisme de la reproduction asexuée ; 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

Les cellules souches sont des cellules indifférenciées capables d’engendrer différents types de cellules spécialisées. Elles sont à l’origine de tous les tissus de l’organisme, depuis le stade embryonnaire jusqu’à l’adulte.

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 progressivement), et les cellules souches de l’organisme adulte, dites multipotentes, qui ne sont capables de produire que quelques types cellulaires (par exemple les cellules hématopoïétiques de la moelle rouge des os qui sont à l'origine des différentes lignées de cellules sanguines).