Une structure complexe : la cellule vivante - Maxicours

Une structure complexe : la cellule vivante

Objectifs
  • Connaitre le concept général de la cellule.
  • Savoir comment s’est construite la théorie cellulaire.
  • Être capable de situer des ordres de grandeur : atome, molécule, organite, cellule, tissu et organisme.
  • À l’aide de l’exemple de la membrane plasmique, faire le lien entre échelle cellulaire et échelle moléculaire.
  • Être capable de schématiser la membrane plasmique à partir de molécules dont les parties hydrophiles/lipophiles sont identifiées.
Points clés
  • Le concept général de la cellule et la construction de la théorie cellulaire ont été énoncés grâce à l’observation de structures semblables dans de nombreux organismes. Cette observation a été rendue possible grâce à l’invention du microscope optique.
  • Plus tard, l’invention du microscope électronique a permis l’exploration de l’intérieur de la cellule et la compréhension du lien entre échelle moléculaire et cellulaire.
  • La membrane plasmique, qui sépare la cellule de l’extérieur, est constituée d’une bicouche lipidique et de protéines.
  • Le caractère hydrophile ou lipophile de certaines parties de molécules qui constituent la membrane plasmique permet sa stabilité.
Pour bien comprendre
  • La matière vivante est constituée d’atomes qui peuvent s’associer pour former des molécules.
  • Tous les êtres vivants sont constitués de cellules qui sont délimitées par une membrane plasmique.
1. Des premières observations cellulaires à la construction de la théorie cellulaire
a. Le fonctionnement du microscope optique

Le microscope, dit optique ou photonique, est utilisé notamment en biologie pour observer des tissus ou des cellules.

C’est un instrument d’optique équipé d’une source de lumière artificielle. Son fonctionnement repose sur la propagation de photons (particules élémentaires de la lumière) à travers une préparation fine, l’objectif puis l’oculaire.
L’objectif et l’oculaire contiennent chacun une lentille, ce qui permet de grossir l’image d’un petit objet.
Le microscope permet de grossir un objet de 40 à 1000 fois.

 Photo et croquis d’un microscope optique utilisé aujourd’hui

b. L'invention du microscope optique

Le tout premier microscope aurait été inventé en 1595 par un Hollandais : Zacharias Janssen.
Il lui permet de grossir des petits objets de 3 à 10 fois.

Cinquante ans plus tard, Antoine van Leeuwenhoek et Robert Hooke perfectionnent cet outil afin d’observer des choses non visibles à l’œil nu.

Antoine van Leeuwenhoek (1632–1723), néerlandais, n’est pas scientifique mais artisan. Drapier, il utilise des loupes qui grossissent de 6 à 15 fois pour examiner les fibres des textiles qu’il vend.
En 1668, il construit un microscope, équipé d’une seule lentille biconvexe de forte résolution.
Curieux de nature, il s’en sert pour observer non seulement les fibres des textiles, mais aussi des organismes vivants invisibles à l’œil nu et dont personne n’imaginait l’existence (êtres vivants microscopiques d’une mare ou spermatozoïdes d’animaux).
N’étant pas scientifique, il n’utilise pas le terme « cellule » pour nommer ce qu’il a observé.

Au même moment, le scientifique Robert Hooke (1635–1703) développe son propre microscope optique.
Il publie un ouvrage, en 1665, Micrographia, dans lequel il présente ses observations microscopiques (notamment des dessins de protozoaires, micro-organismes unicellulaires) qui contribuent à la découverte du monde invisible.
Il présente également des coupes réalisées dans du liège qui montrent des petites cavités. Il nomme ces dernières « cellules ». C’est le premier à utiliser ce terme en 1667.

c. L'élaboration de la théorie cellulaire
Une théorie est un ensemble cohérent d’explications et de notions sur un sujet.

L’élaboration d’une théorie peut prendre plusieurs siècles. Sa construction passe par des propositions, des observations, des expérimentations et des remises en question.
Les progrès de la science y participent largement.

Aujourd’hui, la théorie cellulaire repose sur trois principes :

  • tout organisme vivant est constitué de cellules (une ou plusieurs) ;
  • la cellule est l’unité de base structurelle et fonctionnelle du vivant, ce qui signifie que tous les êtres vivants possèdent une ou plusieurs cellules qui permettent leur bon fonctionnement ;
  • toute cellule provient d’une autre par division.

L’observation et la description des premières cellules au XVIIe siècle ne suffisent pas à élaborer la théorie cellulaire.
Ce n’est qu’au XIXe siècle que des scientifiques contribuent à sa construction.

Dates Scientifiques Idées principales
1838 Jakob Schleiden,
botaniste allemand

Tous les végétaux possèdent des cellules.

Chaque cellule végétale possède un noyau présenté comme « organe élémentaire, spécifique et sans doute universel des végétaux ».

1839 Theodor Schawnn,
zoologiste allemand

Les cellules animales, comme les cellules végétales, contiennent un noyau.

Deux principes de la théorie cellulaire sont posés :
  • la cellule est l’unité de base du vivant ;
  • tous les êtres vivants en possèdent une ou plusieurs.
1839 Schleiden (botaniste allemand) et Schawnn (zoologiste allemand) Hypothèse de la génération spontanée des cellules : les cellules peuvent apparaitre spontanément à partir de substances organiques du milieu.
1858 Rudolph Virchow,
médecin prussien
Toute cellule provient de la division d’une cellule préexistante. Cela va à l’encontre de l’idée de génération spontanée qui prédomine depuis l’Antiquité.
1861 Pasteur, chimiste et biologiste français Il démontre par des expériences qu’une cellule ne peut pas apparaitre spontanément à partir de substance organique.
1864   La théorie de la génération spontanée est rejetée.
Le 3e principe de la théorie cellulaire est établi : toute cellule provient d’une autre par division.
Tableau récapitulant les principales étapes de la construction de la théorie cellulaire
2. De l'échelle cellulaire à l'échelle moléculaire
a. Le microscope optique et ses limites

Une cellule eucaryote est une cellule qui possède un noyau.

Le microscope optique permet l’observation de la structure générale d’une cellule eucaryote, c’est-à-dire la membrane plasmique, le noyau, le cytoplasme.


Cellules sanguines, dont un lymphocyte au centre,
observées au microscope optique (× 400)

La taille des cellules est variable : de l’ordre de 20 micromètres pour les cellules animales, 100 micromètres pour les cellules végétales.

La résolution maximale du microscope optique étant de 0,2 micromètre, il est impossible d’observer des objets plus petits. Le microscope optique ne permet donc pas l’observation du contenu des cellules (organites) ni des molécules qui la composent.

Remarque
Un organite est une structure spécialisée présente dans le cytoplasme d’une cellule (mitochondries, chloroplastes par exemple).
b. L'invention du microscope électronique, un outil perfectionné

C’est en 1931 que deux physiciens allemands présentent pour la première fois un microscope électronique.

Il fonctionne sur le même principe que le microscope optique mais au lieu d’émettre des photons, il utilise un faisceau d’électrons concentré par des lentilles électromagnétiques. Il peut grossir un objet jusqu’à un million de fois.

Le microscope électronique permet alors l’observation du contenu des cellules : on découvre l’ultrastructure cellulaire, c’est-à-dire la structure d’une cellule visible uniquement au microscope électronique.

L’invention du microscope électronique permet d’atteindre l’observation de l’échelle moléculaire.

Il existe aujourd’hui deux types de microscope électronique :

  • le MET (microscope électronique à transmission) : il permet de préciser la structure interne de certains organites et d’observer certaines macromolécules. Sa résolution maximale est de 0,1 nm.
  • le MEB (microscope électronique à balayage) qui permet d’observer les reliefs de l’objet observé. Sa résolution maximale est moins importante : 1 nm.

Lymphocyte observé au microscope électronique à transmission
(× 15 000 – coloration fausses couleurs)

L’ultrastructure du lymphocyte est visible. On repère les mitochondries et le noyau qui contient des molécules d’ADN sous forme de chromatine.


Cellules sanguines observées au microscope électronique à balayage (× 10 000)
c. Les différentes échelles du vivant et leur mode d'observation
Échelles du vivant Outils d’observation

Microscope à tunnel
 

M. à force atomique ou m. électronique pour les grosses molécules (ADN)

M. électronique
 

M. électronique ou m. optique


 

Microscope optique





Œil nu


 

Remarque
Le microscope à force atomique et le microscope à tunnel sont des microscopes très perfectionnés permettant d’observer l’échelle de l’atome.
3. La membrane plasmique : une structure stable mais dynamique
a. La découverte de la membrane plasmique et les avancées scientifiques

Dès les premières observations de cellules au microscope optique, on constate qu’il existe une séparation entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire : la membrane plasmique.

On cherche alors à connaitre l’organisation (structure et composition) de cette membrane plasmique. Au XXe siècle, grâce à la biochimie et à la microscopie électronique, de nombreuses découvertes améliorent la connaissance de cette organisation.
Quelques-unes sont présentées dans le tableau ci-dessous :

Dates Avancées scientifiques sur la structure et la composition de la membrane plasmique
1925 Grâce à des analyses chimiques, découverte de l’organisation en deux couches de phospholipides.
1926 Grâce à des études réalisées sur les globules rouges (cellules sanguines qui ne possèdent ni noyau ni organites), détermination de la composition massique de la membrane plasmique : 60 % de protéines et 40 % de lipides.
Les protéines étant beaucoup plus volumineuses et « lourdes » que les lipides, cela représente en nombre de molécules une protéine pour 60 lipides.
1950 Obtention de la première image d’une membrane cellulaire grâce à un microscope électronique.

Observation au MET de la membrane plasmique d’une euglène,
organisme unicellulaire présent dans l’eau riche en nutriments
(× 250 000 – coloration fausses couleurs)
b. La composition de la membrane plasmique

L’organisation moléculaire de la membrane plasmique a pu être établie grâce à la biochimie et à la microscopie électronique.
La membrane plasmique est composée de diverses molécules : les lipides et les protéines essentiellement.

Les lipides membranaires

Ce sont principalement des phospholipides et du cholestérol pour les cellules animales.


Schéma d’une molécule de phospholipide

Les phospholipides sont des molécules amphiphiles : elles portent un groupe hydrophile (la tête formée de phosphate et de glycérol) et un groupe hydrophobe (les queues formée d’acides gras).

Une molécule hydrophile a une forte affinité pour l’eau et pour d’autres régions hydrophiles.
Une molécule hydrophobe (synonyme de lipophile) évite l’eau, a une affinité pour d’autres régions lipophiles.

La propriété amphiphile des phospholipides est responsable de l’organisation de la membrane plasmique.
En effet, si on extrait des phospholipides membranaires et qu’on les place dans l’eau pour observer leur comportement, ils s’agglomèrent spontanément en cachant leurs parties hydrophobes : cette structure formée se nomme un liposome.


Schéma d’un liposome

Le liposome est donc délimité par une membrane, comme l’est la cellule.

Dans un organisme vivant, le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire étant aqueux, les phospholipides s’organisent en une double couche qui forme la membrane plasmique des cellules.


Schéma simplifié présentant l’organisation des phospholipides en bicouche
dans la membrane plasmique
Les protéines membranaires

Il existe deux types de protéines membranaires :

  • les protéines intra-membranaires (2 parties hydrophiles et une partie hydrophobe enchâssée dans la bicouche de phospholipides) ;
  • les protéines extra-cellulaires (en contact avec le milieu extérieur).

Les protéines membranaires ont des rôles variés : transport de substances, récepteurs de molécules chimiques, adhérence…


Schéma présentant des protéines membranaires
c. Le rôle de la membrane plasmique

La membrane plasmique permet des échanges avec le milieu extracellulaire, tout en conservant la stabilité du milieu intracellulaire.
Grâce à des mécanismes de diffusion passive ou de transport actif, elle permet le passage de certaines molécules et ions.
Elle joue aussi un rôle dans la reconnaissance de signaux (par exemple, les hormones provenant du milieu extracellulaire).

d. La membrane plasmique, une mosaïque fluide

La membrane plasmique est indispensable à la survie d’une cellule.
C’est une structure en mosaïque : elle est faite d’une double couche lipidique, de protéines intra ou extra-membranaires ainsi que de quelques sucres liés aux protéines ou aux lipides.

Son organisation n’est pas figée : les phospholipides sont les plus mobiles.
On dit que la membrane plasmique est dynamique : c’est une mosaïque fluide.
Cette caractéristique lui permet de se déformer lors de la division cellulaire, d’absorber des éléments (macrophage qui absorbe une bactérie), de sécréter des molécules…


Représentation schématique de l’organisation de la membrane plasmique

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