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La cellule spécialisée

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Objectifs

Comprendre comment sont organisées les cellules spécialisées.
Comprendre les mécanismes à l’origine des cellules spécialisées.
Savoir identifier les caractéristiques propres à une cellule spécialisée.
Comprendre le concept d’expression différentielle des gènes.

Points clés

Les organismes pluricellulaires sont formés de cellules toutes issues d’une même cellule originelle : la cellule-œuf. Elles possèdent donc toutes la même information génétique.
Au sein d’un organisme pluricellulaire, les cellules présentent des caractéristiques métaboliques propres à la fonction qu’elles assurent.
Pour pouvoir assurer ces voies métaboliques spécifiques, elles possèdent des structures spécialisées qui sont des organites ou des macromolécules (enzymes).
La spécialisation est acquise au cours d’un processus de différenciation qui suit l’étape de multiplication cellulaire implique une expression spécifique de certains gènes.
La mutation des gènes mis en jeu dans les voies métaboliques de la cellule spécialisée peut conduire à son dysfonctionnement et donc à la perte d’un fonction importante pour l’organisme.

Pour bien comprendre

L’unité de base du vivant est la cellule. Seuls les eucaryotes peuvent être des organismes pluricellulaires.
Le cytoplasme est compartimenté et contient des organites assurant des fonctions précises dans la cellule.
L’expression d’un gène permet la production d’une protéine qui conduit à l’expression d’un caractère.

1. Quelques cellules spécialisées

a. Organisation générale d’une cellule spécialisée

Toutes les cellules constituant un organisme pluricellulaire présentent une organisation commune [lien avec la fiche Les êtres unicellulaires]. Elles sont entourées d’une membrane plasmique semi-perméable entourant un cytoplasme compartimenté en organites assurant des fonctions métaboliques qui peuvent être soit communes à toutes les cellules de l’organisme comme la mitochondrie qui permet la production d’énergie grâce à la respiration soit propre à la cellule (voir paragraphes suivants). Elles contiennent toutes un noyau englobant d’une double membrane le matériel génétique sous la forme de plusieurs chromosomes linéaires. Toutes les cellules d’un même organisme contiennent la même information génétique qu’elles ont héritée de la cellule originelle, la cellule-œuf. Par contre, si on compare l’aspect (forme, taille, organisation) des cellules composant différents tissus d’un organisme pluricellulaire on constate une très grande diversité.

Cellules d'une feuille de pin et de l'intestin grêle

b. Les cellules pancréatiques : un exemple de cellules spécialisées chez l’animal

Le pancréas est un organe vital de l’organisme animal qui assure deux fonctions :

une fonction qui permet la sécrétion des enzymes participant à la digestion des aliments dans l’intestin grêle ;
une fonction qui permet la production des hormones régulant la glycémie dans le sang

Ces deux fonctions sont assurées par des cellules spécialisées différentes.

La fonction exocrine est assurée par les cellules acineuses regroupées en couronne entourant le canal pancréatique.
La fonction endocrine est assurée par les cellules des îlots de Langerhans qui sécrètent des hormones dans le sang permettant la régulation de la glycémie, notamment l’insuline qui conduit à une baisse du taux de glucose sanguin en cas d’hyperglycémie.

Différentes fonctions dans le pancréas

L’organisation structurelle de ces deux types cellulaires est différente et directement liée à la fonction qu’elles assurent au sein de l’organe :

La cellule acineuse est une cellule en contact avec le tissu et les vaisseaux sanguins et est perméable aux nutriments. C’est là qu’a lieu la libération des enzymes digestives dans le canal pancréatique. Elle assure la production de ces protéines enzymatiques. On observe un réseau de réticulum endoplasmique très étendu où a lieu la synthèse des protéines.
À l'inverse, la cellule sécrétrice d’insuline n’est pas polarisée. Elle présente elle aussi un réseau de réticulum endoplasmique étendu favorisant une forte synthèse de protéines notamment l’insuline qui est ensuite stockée dans des granules de sécrétion. Mais, on note dans sa membrane plasmique la présence de complexes protéiques spécifiques qui vont participer à la régulation de la sécrétion de l’insuline.

c. Les photorécepteurs, des cellules spécialisées de la vision

La rétine est un tissu de l'œil constitué de 4 couches de cellules nerveuses communiquant entre elles grâce à des synapses. Chacune de ces cellules a une forme particulière qui lui permet d’assurer sa fonction au sein du tissu rétinien.

Les cellules réceptrices de la lumières sont appelées photorécepteurs. Elles ont deux formes très caractéristiques : les bâtonnets et les cônes. Ce sont des cellules sensorielles capables de capter un stimulus venant de l’environnement (ici, la lumière). Ces photorécepteurs ont la propriété d’être excitables et de capter les rayonnements lumineux grâce à la présence de pigments rétiniens dans leur cytoplasme.

Structure du tissu rétinien

Leur organisation est caractéristique des cellules nerveuses : elles possèdent un corps cellulaire renfermant le noyau et des organites à partir duquel partent des prolongements cytoplasmiques plus ou moins long appelés dendrites ou axone. Ainsi, l’organisation de ces cellules spécialisées permet à la rétine de capter les rayonnements lumineux grâce aux pigments des photorécepteurs et de l’acheminer jusqu’au cerveau grâce aux axones qui se rejoignent au niveau du nerf optique.

d. Des cellules spécialisées chez les végétaux chlorophylliens

L’organisation de la feuille, organe siège de la photosynthèse montre l’existence de plusieurs tissus dont les cellules ont des formes et caractéristiques différentes en lien avec leur fonction.

Les cellules du parenchyme palissadique sont riches en chloroplastes. Elles sont les mieux exposées aux rayons du soleil et vont donc être le lieu de la photosynthèse.
Les cellules du parenchyme lacuneux sont de forme irrégulière et peu compactées ce qui permet la circulation des gaz entrant par les stomates et favorisant ainsi la réalisation de la photosynthèse.

Structure d'une feuille

2. Le processus de spécialisation

Les expériences de clonage réalisées chez différentes espèces animales prouvent que le noyau d’une cellule spécialisée comme celle de la peau contient la totalité de l’information génétique nécessaire à la construction d’un nouvel individu.

Technique du clonage

La spécialisation d’une cellule est la dernière étape de sa différenciation au cours de laquelle elle se multiplie en modifiant progressivement le profil d’expression de ses gènes sans les perdre. Ceci conduit à une modification de sa structure et de son métabolisme. Le processus de différenciation s’arrête lorsque la cellule cesse de se multiplier. Elle est alors spécialisée et assure une fonction spécifique.

Durant ce processus, une cellule est en contact avec les autres cellules voisines du même tissu et la matrice extracellulaire, avec lesquelles elle échange des signaux, ce qui lui permet de déterminer sa position exacte dans l’organisme pluricellulaire et d’orienter sa voie de différenciation.

Ainsi, l’organisme humain est constitué de plus de 60 milliards de cellules chacune possédant entre 20 000 et 25 000 gènes.

Type cellulaire	Nombre de gènes exprimés	Nombre de gènes spécifiques
Cellule du cerveau	14 500	400
Cellule du foie	11 500	400
Cellule de la peau	13 700	100
Cellule des testicules	16 500	1 100

On constate que les cellules spécialisées n’expriment qu’un nombre restreint de gènes qui est propre à leur fonction.

Exemples. Le mélanocyte est une cellule de la peau qui produit spécifiquement le pigment de la peau appelé mélanine. Pour cela, il exprime les gènes spécifiques de la chaîne enzymatique impliquée dans la synthèse de la mélanine caractérisée par deux Tyrosinases. La mutation du gène de la première Tyrosinase peut conduire à l’albinisme (dépigmentation de la peau).