Tous les organismes sont constitués d’une ou plusieurs cellules, unités élémentaires dont la taille est de quelques dizaines de micromètres (rappelons que le micromètre (mm) est le millième de millimètre (10-3 mm)

La Cellule

Tous les organismes sont constitués d’une ou plusieurs cellules, unités élémentaires dont la taille est de quelques dizaines de micromètres (rappelons que le micromètre (mm) est le millième de millimètre (10-3 mm). Bien inférieure au pouvoir séparateur de notre œil, cette petite taille des cellules explique qu’elles n’aient pu être observées avant l’invention du microscope au XVIIIe siècle. Les bactéries, les protozoaires comme l’amibe ou la paramécie sont des organismes unicellulaires, les plantes (à l’exception de certains champignons comme les levures ou de certaines algues comme les diatomées) et les animaux sont des organismes pluricellulaires.

L’essentiel de ce que nous savons aujourd’hui sur la cellule a été acquis depuis 1955; à cette époque ont été mises au point les méthodes permettant l’observation au microscope électronique de coupes minces de cellules dont l’épaisseur est inférieure à 100 nanomètres (un nanomètre est le millième de micromètre, autrement dit 1 nm = 10-6 mm). C’est ainsi qu’ont été découverts les détails de l’anatomie cellulaire, détails que le microscope à lumière permet de voir et qui constituent l’ultrastructure de la cellule. Simultanément les techniques de fractionnement ont permis, à partir de populations cellulaires (cellules en culture, fragments d’organes), d’isoler des fractions ne contenant qu’une catégorie d’organites ; dans ces conditions on peut analyser la composition chimique des organites et même dans certains cas étudier leur fonctionnement hors de la cellule. À ce développement rapide des connaissances ont collaboré les cytologistes, les biochimistes, les biologistes moléculaires, les généticiens, les physiologistes, si bien que la biologie cellulaire est devenue un des thèmes les plus importants de la biologie fondamentale.

Malgré la diversité des êtres vivants, les cellules ont des caractères anatomiques, biochimiques et fonctionnels communs. Les pièces qui les composent sont très semblables comme le sont également les molécules porteuses de leur information ou celles qui interviennent dans les conversions d’énergie et permettent à la cellule d’effectuer des travaux variés. Pour leur croissance, pour leur reproduction par division, pour la régulation de leurs activités, les cellules mettent en jeu les mêmes types de mécanismes. Cette unité du monde vivant à l’échelle cellulaire est l’héritage d’une longue évolution commencée il y a 4,5 milliards d’années avec la formation de la Terre, évolution qui a conduit à l’apparition des premiers organismes unicellulaires il y a 3,5 milliards d’années et qui s’est poursuivie jusqu’à maintenant.

1. L’anatomie cellulaire

Quel que soit l’organisme auquel elles appartiennent, les cellules sont formées de pièces qui remplissent des fonctions spécialisées tout comme les organes d’un être complexe, c’est pourquoi on les appelle organites cellulaires. L’étude anatomique des cellules faite à l’échelle la plus fine, grâce en particulier au microscope électronique, révèle que les organites ont une structure caractéristique qui est en quelque sorte leur photo d’identité; les analyses biochimiques et biophysiques révèlent la nature des molécules qui composent les organites et, pour nombre d’entre eux, on connaît la disposition spatiale de leurs molécules, c’est-à-dire leur architecture moléculaire.

Au centre de la cellule existe une région où est rassemblée la majorité des informations qu’elle utilise au cours de son existence, c’est le noyau qui est entouré par le cytoplasme. Chez les bactéries et les cyanobactéries, noyau et cytoplasme ne sont pas séparés par une frontière; ces organismes dont les cellules ont un noyau primitif ou nucléoïde sont les procaryotes. Chez les animaux et les végétaux, une enveloppe nucléaire sépare le noyau du cytoplasme; ces organismes dont les cellules ont un noyau individualisé sont les eucaryotes.

Cellules procaryotes: bactéries et cyanobactéries

Une bactérie comme le colibacille (Escherichia coli ) est une cellule qui a la forme d’un bâtonnet cylindrique aux extrémités arrondies; elle mesure 2,5 mm de long et 0,8 mm de diamètre (fig. 1 a et 1 b).

Cette cellule est enfermée à l’intérieur d’une boîte rigide ou paroi qu’elle a elle-même synthétisée et qui est formée par l’association complexe de polypeptides, de polysaccharides et de lipides. La paroi de 10 nm impose sa forme à la bactérie, elle représente donc un squelette à l’échelle cellulaire appelé cytosquelette qui est ici extérieur à la cellule.

Le colibacille est limité à sa périphérie par une couche continue de 7,5 nm d’épaisseur qui est sa membrane plasmique, membrane qui isole un compartiment intracellulaire – l’intérieur de la cellule – du milieu extracellulaire. Constituée de lipides et de protéines cette membrane est l’organite cytoplasmique qui contrôle les échanges qu’a la bactérie avec l’environnement dans lequel elle vit: contenu de l’intestin humain par exemple, milieux d’eau douce variés. Le reste du cytoplasme est constitué d’un milieu visqueux riche en protéines, le cytosol, dans lequel baignent plus de 10 000 particules de 25 nm de diamètre; ces particules, ou ribosomes, sont formées d’acides ribonucléiques, les ARN ribosomiques (ARNr), qui sont associés à des protéines. Les ribosomes sont les organites cytoplasmiques qui synthétisent les chaînes polypeptidiques des protéines.

Le nucléoïde qui occupe la région centrale de la cellule est formé d’un filament de 2 nm de diamètre et de 1,2 mm de long; ce filament, refermé sur lui-même et reployé de nombreuses fois, est une molécule circulaire d’acide désoxyribonucléique (ADN) qui porte l’essentiel de l’information cellulaire: cet organite nucléaire est le chromosome bactérien, chromosome qui est relié à une invagination de la membrane plasmique appelée mésosome. À l’ADN chromosomique sont associées des protéines qui catalysent et régulent la synthèse des molécules d’ARN ou de nouvelles molécules d’ADN.

Le chromosome n’est pas le seul organite porteur d’informations. Il existe en effet dans le cytoplasme des bactéries comme le colibacille de petites molécules d’ADN circulaire de quelques microns de circonférence; ce sont les plasmides. Les plasmides étant en général tous identiques, l’information extrachromosomique qu’ils portent est donc présente en plusieurs exemplaires dans la cellule, alors que l’information chromosomique n’est représentée qu’à un seul exemplaire.

Pour croître et se multiplier, le colibacille doit puiser dans le milieu qui l’environne des sels minéraux et des molécules organiques comme le glucose; ces molécules lui servent à la fois de matériaux de construction et de source d’énergie. De tels organismes qui ont besoin de molécules organiques comme source de carbone sont dits hétérotrophes. Il existe des bactéries qui synthétisent leurs molécules organiques à partir du gaz carbonique et de l’azote, l’énergie nécessaire à ces synthèses étant fournie par la lumière selon un mécanisme complexe qui est la photosynthèse. Ces organismes qui n’ont pas besoin de molécules organiques comme source de carbone sont dits autotrophes.

Les bactéries photosynthétiques possèdent des organites cytoplasmiques originaux, responsables de leur caractère autotrophe: il s’agit de membranes de 6 nm d’épaisseur qui délimitent des cavités closes: les thylakoïdes. Selon les espèces, les thylakoïdes forment des vésicules de 50 nm de diamètre ou des sacs aplatis. La membrane des thylakoïdes est constituée de lipides et de protéines différents de ceux de la membrane plasmique et, de plus, elle renferme des pigments dont une variété de chlorophylle, qui captent l’énergie lumineuse; ce type de membrane isole du cytosol un compartiment qui est l’espace intrathylakoïde.

Une cyanobactérie comme l’oscillaire est un organisme photosynthétique pluricellulaire qui vit dans l’eau des mares; c’est un filament cylindrique de 4 mm de diamètre et de plusieurs centaines de microns de long qui est constitué de cellules identiques placées bout à bout. Chaque cellule, limitée par une membrane plasmique, est enfermée dans une paroi de composition semblable à celle du colibacille et, en outre, la surface latérale de la paroi est recouverte extérieurement d’une couche de mucilage de 50 nm d’épaisseur (fig. 1 c). Ce mucilage est riche en polysaccharides qui, comme les constituants de la paroi, sont synthétisés par la cellule. Des thylakoïdes à disposition concentrique sont situés à la périphérie du cytoplasme, leur membrane renferme de la chlorophylle et d’autres pigments qui donnent aux cellules une couleur bleue, d’où le nom d’algue bleue qui était donné à ces organismes (aujourd’hui le terme d’algue est réservé à des végétaux eucaryotes).

Les ribosomes des cellules d’oscillaire sont situés entre les thylakoïdes périphériques et le nucléoïde central, nucléoïde formé d’un chromosome sans doute circulaire et de 3 mm de circonférence. Le cytosol renferme des plasmides et des inclusions qui sont des réserves intracellulaires de nature chimique variée: gouttelettes de lipides, corps protéiques.

Cellules eucaryotes animales et végétales

Cellule animale

Les fibroblastes humains (fig. 2) sont les cellules spécifiques du tissu conjonctif comme le derme de la peau, le chorion du tube digestif, les tendons ou la paroi des veines et des artères; ce sont des cellules isolées qui baignent dans le milieu extracellulaire contenant de nombreuses fibres protéiques de collagène et d’élastine ainsi que des macromolécules complexes – les protéoglycanes – formées de chaînes polypeptidiques auxquelles sont attachées de longues chaînes polysaccharidiques sulfatées. Toutes ces molécules qui sont synthétisées par les fibroblastes donnent au tissu conjonctif ses propriétés mécaniques d’élasticité et de résistance à l’extension: cf. matrice INTERCELLULAIRE. Un fibroblaste a la forme d’un fuseau en périphérie duquel s’étendent divers prolongements. Le corps cellulaire mesure 20 mm de long sur 5 mm de diamètre environ, les prolongements de longueur variée ont un diamètre souvent inférieur au micromètre. Le noyau fusiforme occupe la région centrale et comme chez les procaryotes, le compartiment cellulaire est limité par une membrane plasmique de 7,5 nm d’épaisseur (fig. 2).

L’anatomie de cette cellule est tout d’abord caractérisée par la présence dans son cytoplasme de différents types de membranes qui isolent du cytosol des compartiments clos, membranes et compartiments représentant autant d’organites originaux. Les membranes du réticulum endoplasmique (6 nm d’épaisseur) délimitent un ensemble de cavités ou citernes qui communiquent entre elles et forment un réseau spongieux à l’intérieur du cytoplasme (d’où le nom qui a été donné à cet organite). Une portion du réticulum entoure le noyau, c’est l’enveloppe nucléaire, qui marque la frontière entre le noyau et le cytoplasme; cette frontière n’est pas continue car elle est fenestrée de place en place par des perforations de 50 nm de diamètre qui sont les pores nucléaires.

De nombreux ribosomes sont attachés aux membranes de réticulum de cette cellule et leur donnent un aspect grenu (fig. 3), d’où le nom de réticulum endoplasmique rugueux attribué à ce type de réticulum (on l’appelle aussi ergastoplasme). Les chaînes polypeptidiques qui sont synthétisées par ces ribosomes sont transférées dans les cavités du réticulum ou insérées dans les membranes. Les portions de réticulum dont les membranes sont dépourvues de ribosomes constituent le réticulum endoplasmique lisse, type de réticulum qui est peu abondant dans le fibroblaste.

Les membranes de l’appareil de Golgi (7 nm d’épaisseur et toujours dépourvues de ribosomes) isolent des cavités dont l’arrangement est beaucoup plus ordonné que le réseau polymorphe du réticulum endoplasmique. Il s’agit de disques aplatis ou saccules qui sont empilés les uns sur les autres; chaque pile est un dictyosome et compte 3 à 4 saccules de 1 mm de diamètre environ; au nombre d’une dizaine, les dictyosomes sont groupés près du noyau. Une des faces des dictyosomes est en regard de certaines régions du réticulum, c’est leur face externe, la face opposée étant leur face interne.

De part et d’autre des dictyosomes existent deux populations de vésicules de 20 nm de diamètre: des vésicules de transition situées entre les dictyosomes et des citernes de réticulum, des vésicules de sécrétion situées au voisinage de l’autre face des dictyosomes. Ces deux populations de vésicules témoignent de la structure dynamique des dictyosomes: de nouveaux saccules se forment à la gace externe par fusion de vésicules de transition qui ont bourgeonné à partir du réticulum, en même temps que des saccules disparaissent à la face externe en se fragmentant en vésicules de sécrétion.

Les membranes du réticulum endoplasmique contiennent des enzymes dont certaines catalysent la synthèse de certains lipides membranaires, d’autres la liaison covalente de sucres à des molécules variées, c’est-à-dire qu’elles catalysent des réactions du glycosylation, d’autres enfin, qui inactivent des substances toxiques pour la cellule et interviennent donc dans les détoxifications. Les membranes de l’appareil de Golgi interviennent elles aussi dans des réactions de glycosylation et de plus dans la sulfatation de certaines molécules auxquelles sont ainsi liés de façon covalente des groupements sulfate.

Les cavités du réticulum forment des compartiments où s’accumulent des molécules destinées à être exportées dans le milieu extracellulaire ou à être stockées dans d’autres compartiments intracytoplasmiques. Après avoir été synthétisées par les ribosomes du réticulum rugueux et transférées dans ses cavités, les chaînes polypeptidiques du collagène, de l’élastine et des protéoglycanes cheminent dans ce réseau cavitaire jusqu’aux régions situées en regard des dictyosomes; là elles quittent le réticulum dans les vésicules de transition, elles transitent dans un saccule de la face externe d’un dictyosome jusqu’à sa face interne où elles sont alors emballées dans des vésicules de sécrétion. Au cours de ce cheminement intracellulaire les chaînes polypeptidiques sont toujours séparées du cytosol par une membrane (d’abord du réticulum puis de l’appareil de Golgi) et de plus elles sont modifiées chimiquement, les réactions étant catalysées par des enzymes situées dans les cavités que limitent les membranes de ces organites. Les vésicules de sécrétion sont emportées vers la périphérie du fibroblaste et leur contenu est alors déchargé dans le milieu extracellulaire par fusion de leur membrane avec la membrane plasmique selon un processus appelé exocytose. Dans le milieu extracellulaire, les molécules de collagène ou d’élastine s’associent entre elles en formant les fibres du tissu conjonctif.

Dans le cytoplasme du fibroblaste existent également d’autres organites limités par des membranes et qui sont en fait des productions du réticulum endoplasmique ou de l’appareil de Golgi. Il s’agit tout d’abord de vésicules de 0,1 mm de diamètre, limitées par une membrane de 6 nm d’épaisseur qui isole une matrice; dispersées dans le cytosol, ces vésicules renferment des enzymes qui catalysent la production et la décomposition de l’eau oxygénée, c’est-à-dire le peroxyde d’hydrogène; ces organites sont les peroxysomes. D’autres vésicules de diamètre varié (0,2 mm à 2 ou 3 mm) limitées par une membrane de 7 nm d’épaisseur contiennent un mélange d’hydrolases, enzymes qui catalysent à pH acide le clivage de molécules variées avec intervention de molécules d’eau; ces organites sont les lysosomes qui permettent au fibroblaste de digérer les molécules qu’il capture dans le milieu extracellulaire.

Les peroxysomes proviennent de bourgeons qui se détachent du réticulum endoplasmique; les enzymes de leur matrice sont synthétisées pour une part au niveau de ribosomes liés aux membranes du réticulum, pour une autre part au niveau de ribosomes libres dans le cytosol et transférées après leur synthèse dans la matrice. Les lysosomes sont bourgeonnés par les bords des saccules golgiens, leurs hydrolases étant synthétisées par des ribosomes du réticulum rugueux; ces enzymes empruntent au départ la même voie de cheminement que les chaînes polypeptidiques destinées à l’exportation, mais elles sont ensuite aiguillées différemment.

Les mitochondries représentent un dernier type d’organite cytoplasmique à structure membranaire. Au nombre d’une centaine dispersées dans le cytosol, les mitochondries du fibroblaste ont la forme de bâtonnets cylindriques aux extrémités arrondies dont le diamètre est de 0,5 mm et la longueur de 2 à quelques micromètres (fig. 3). Chaque mitochondrie est séparée du cytosol par une membrane de 6 nm d’épaisseur qui est la membrane mitochondriale externe; cette membrane est doublée intérieurement d’une membrane mitochondriale interne également de 6 nm d’épaisseur et qui forme des replis appelés crêtes mitochondriales. Les deux membranes mitochondriales isolent deux compartiments: l’un situé entre les deux membranes externe et interne qui est l’espace intermembranaire, un autre limité par la membrane interne qui est la matrice mitochondriale. Les mitochondries régénèrent le fournisseur universel d’énergie pour la cellule: l’adénosine triphosphate ou ATP; l’hydrolyse de ce nucléotide donne de l’adénosine diphosphate ou ADP, de l’acide phosphorique et de l’énergie, énergie qui est utilisée pour des travaux cellulaires de nature variée: synthèse de molécules, production du mouvement, transport d’ions d’un compartiment à l’autre par exemple. La régénération des molécules d’ATP se fait par phosphorylation de l’ADP en ATP; cette phosphorylation nécessite un apport énergétique qui est fourni cette fois par l’oxydation de combustibles organiques surtout glucidiques ou lipidiques. Les oxydations se déroulent principalement dans la matrice mitochondriale qui contient de nombreuses enzymes catalysant ces réactions; le couplage énergétique de ces réactions d’oxydation à la phosphorylation de l’ADP est la phosphorylation oxydative: elle se fait au niveau de la membrane mitochondriale interne et met en jeu des protéines spécifiques de cette membrane.

Outre les organites à membranes et les nombreux ribosomes dispersés dans le cytosol ou associés aux membranes du réticulum endoplasmique, existent dans le cytoplasme des structures filamenteuses qui interviennent dans le maintien de la forme du fibroblaste et dans les mouvements de cette cellule; ces structures forment un cytosquelette intracellulaire comprenant trois types d’organites: des microtubules, des filaments d’actine et des filaments intermédiaires.

Les microtubules sont des tubes cylindrique de 25 nm de diamètre et dont la paroi mesure 5 nm d’épaisseur; les uns sont courts (0,3 mm) et associés par groupes de 3 comme les génératrices d’un cylindre: ce sont les deux centrioles qui sont constitués chacun de 9 groupes de 3 microtubules; les autres sont longs (de 3 mm à 10 mm) et isolés, ils ont une disposition rayonnante à partir de la région péricentriolaire et s’étendent jusque dans les prolongements cytoplasmiques du fibroblaste. La paroi des microtubules est constituée de protéines globulaires appelées tubulines.

Les filaments d’actine, d’un diamètre de 5 nm et de plusieurs microns de long sont pour la plupart groupés en faisceaux ou câbles présents dans le corps cellulaire et aussi dans les prolongements périphériques où leur orientation est parallèle à celle des microtubules. L’actine qui compose ces filaments est une protéine globulaire.

Les filaments intermédiaires ont un diamètre de 10 nm, diamètre compris entre celui des microtubules et celui des filaments d’actine. Dans le fibroblaste ces filaments sont formés de vimentine, qui est une protéine fibreuse; ils forment un lacis situé principalement autour du noyau qu’il maintiennent au centre de la cellule.

L’enveloppe nucléaire qui délimite le noyau sépare deux milieux riches en protéines: le cytosol et le nucléoplasme. Dans le nucléoplasme baignent des filaments de 10 nm de diamètre appelés nucléofilaments qui sont les chromosomes du fibroblaste, organites portant l’essentiel de l’information cellulaire. Chez l’homme, les chromosomes sont au nombre de 46 et mis bout à bout les 46 nucléofilaments ont 35 cm de long. Chaque chromosome est constitué d’une molécule d’ADN linéaire à laquelle sont associées des protéines de deux types: les unes condensent l’ADN en édifice plus compact, le nucléofilament, ce sont les histones (en absence d’histones, les 46 molécules d’ADN ont une longueur totale de 2 m environ), les autres catalysent la synthèse de molécules d’ARN ou la synthèse de nouvelles molécules d’ADN.

Les nucléofilaments sont plus ou moins condensés et enchevêtrés dans le noyau et forment ainsi des masses fibreuses visibles au microscope à lumière appelée chromatine; selon son état de compaction on distingue la chromatine condensée et la chromatine diffuse.

Le noyau renferme de nombreuses particules ribonucléoprotéiques ou particules RNP dont le diamètre est compris entre 5 nm et 20 nm. L’ARN des particules RNP est synthétisé au niveau des chromosomes; leurs protéines viennent du cytoplasme où elles sont synthétisées par les ribosomes libres. Les particules RNP qui s’assemblent dans le noyau sont ensuite exportées dans le cytoplasme en passant à travers les pores de l’enveloppe nucléaire. Il existe une catégorie de particules RNP qui sont produites en grande quantité dans le noyau, ce sont les préribosomes, particules précurseurs des ribosomes cytoplasmiques. Les préribosomes sont stockés transitoirement dans le noyau avant leur exportation, ce stock forme une masse particulaire sphérique de 1 mm de diamètre: le nucléole. En plus des chromosomes nucléaires, le fibroblaste possède d’autres structures porteuses d’information qui sont localisées dans la matrice des mitochondries; il s’agit de petites molécules d’ADN circulaires de 5 mm de circonférence: les molécules d’ADN mitochondrial ou ADNmt. Dans sa matrice chaque mitochondrie renferme 3 à 5 molécules d’ADNmt et également des ribosomes différents de ceux du cytoplasme; ces ribosomes ou mitoribosomes synthétisent certaines des chaînes polypeptidiques de la membrane mitochondriale interne.

Cellule végétale

Une cellule de parenchyme palissadique d’une feuille d’épinard (fig. 4) est de forme prismatique et mesure 60 mm de haut et 20 mm de large. Elle est enfermée à l’intérieur d’une paroi rigide de 0,1 mm d’épaisseur; cette paroi riche en polysaccharides est un cytosquelette extracellulaire dont les constituants sont synthétisés par la cellule elle-même; elle est formée de fibrilles de cellulose disposées parallèlement à la surface cellulaire et dont les diamètres sont compris entre 3,5 mm et 10 mm. Ces fibrilles sont enrobées dans une matrice formée d’hémicellulose et de substances pectiques (cf. DIFFÉRENCIATION CELLULAIRE - Cytodifférenciation végétale). La cellule est limitée par une membrane plasmique plaquée contre la face interne de la paroi; toute la partie centrale du cytoplasme est occupée par un lysosome volumineux et très hydraté qui est la vacuole. Les autres organites cellulaires sont situés en périphérie, entre la membrane de la vacuole appelée tonoplaste et la membrane plasmique: réticulum endoplasmique rugueux et lisse, ribosomes libres ou attachés aux membranes du réticulum, dictyosomes de l’appareil de Golgi, mitochondries, peroxysomes, noyau avec son enveloppe nucléaire et contenant de la chromatine ainsi que un ou deux nucléoles (fig. 4).

Le cytosquelette intracellulaire comprend des microtubules et des filaments d’actine localisés principalement sous la surface cellulaire. Comme la plupart des cellules végétales, cette cellule de parenchyme palissadique ne possède pas de centrioles, elle renferme des organites originaux qui contiennent de la chlorophylle: les chloroplastes, au nombre d’une centaine.

Chaque chloroplaste est un disque lenticulaire de 5 ou 6 mm de diamètre et de 2 mm d’épaisseur dans sa partie centrale; il est limité par une enveloppe formée de deux membranes concentriques (fig. 5). L’enveloppe isole un compartiment qui est le stroma du chloroplaste, stroma contenant des thylakoïdes dont la membrane a 7 nm d’épaisseur. Les thylakoïdes sont orientés parallèlement au grand axe du chloroplaste et certains sont empilés; chaque pile est un granum et on compte 40 à 60 granums par chloroplaste. La membrane des thylakoïdes contient de la chlorophylle et des pigments qui donnent aux feuillets leur couleur verte. Grâce à leurs chloroplastes, les cellules du parenchyme réalisent la photosynthèse ; l’énergie lumineuse captée au niveau des thylakoïdes permet la réduction du gaz carbonique et d’autres composés minéraux en molécules organiques, par exemple des molécules d’amidon qui sont stockées temporairement sous forme de grains d’amidon dans le stroma.

Le stroma contient des molécules d’ADN circulaire de 50 mm de circonférence et qui sont au nombre d’une vingtaine par chloroplaste: ce sont les molécules d’ADN chloroplastique ou ADNct; de plus le stroma renferme des plastoribosomes différents de ceux du cytoplasme et des mitoribosomes; les plastoribosomes synthétisent des chaînes polypeptidiques de la membrane des thylakoïdes et certaines enzymes du stroma. Cette cellule végétale possède donc deux types de structures extrachromosomiques porteuses d’information: les molécules d’ADNmt situées dans la matrice des mitochondries et les molécules d’ADNct situées dans le stroma des chloroplastes.

Les cellules du parenchyme communiquent entre elles par des ponts cytoplasmiques qui traversent leur paroi: les plasmodesmes au nombre de plusieurs milliers par cellule; certains plasmodesmes renferment un tube de réticulum endoplasmique lisse qui passe d’une cellule à sa voisine.

L’étude anatomique de cellules comme celles qui ont été décrites plus haut montre que les organites qui les composent ne sont pas d’une grande variété puisqu’on en compte moins d’une vingtaine. Malgré leur diversité, les cellules ne sont que des variations sur deux grands thèmes: le thème procaryote et le thème eucaryote; ces deux thèmes ont d’ailleurs des points communs puisque la membrane plasmique, les chromosomes, les ribosomes sont des organites qui existent dans toutes les cellules et que les thylakoïdes sont caractéristiques des cellules photosynthétiques possédant de la chlorophylle, qu’elles soient procaryotes ou eucaryotes.

2. Les édifices moléculaires fondamentaux

À l’échelle moléculaire existe également une unité architecturale; on peut en effet classer les édifices moléculaires qui constituent les organites en trois ensembles caractérisés chacun par la nature des molécules qui les composent et par l’assemblage de ces molécules entre elles. Ce sont les membranes cellulaires, les structures fibreuses du cytosquelette intracellulaire et les complexes nucléoprotéiques des chromosomes et des ribosomes.

Les membranes cellulaires sont constituées de lipides et de protéines. Les lipides membranaires ont un pôle hydrophile et un pôle hydrophobe; les plus abondants sont des phospholipides, des glycolipides et éventuellement du cholestérol. Les lipides sont disposés en bicouche, les pôles hydrophobes de chaque couche étant en vis-à-vis, les pôles hydrophiles étant en contact avec les compartiments aqueux que sépare la membrane (pour la membrane plasmique ces compartiments sont le cytosol et le milieu extracellulaire).

Les protéines membranaires sont positionnées au niveau de la bicouche lipidique de façon différente selon leurs caractères de solubilité; les protéines hydrophiles (solubles dans l’eau) interagissent avec les pôles hydrophiles des lipides et sont situées à la périphérie de la bicouche, ces protéines sont dites périphériques; les protéines hydrophobes (insolubles dans l’eau mais solubles dans les lipides) sont enchâssées plus ou moins profondément dans la bicouche, ces protéines sont dites intégrées (fig. 6 a).

Les membranes sont fluides car leurs lipides comme leurs protéines diffusent dans le plan membranaire; de plus ce sont des édifices asymétriques: la proportion des différents phospholipides n’est pas la même dans chaque couche et les glycolipides sont toujours situés dans une seule des deux couches. Selon leur nature, les protéines périphériques et intégrées ont une position et une orientation bien définie par rapport à la bicouche lipidique; quand ce sont des glycoprotéines leur partie glycosylée (celle qui porte des chaînes glucidiques) est toujours en regard du même compartiment comme le sont également les parties glycosylées des glycolipides (dans le cas de la membrane plasmique ce compartiment est le milieu extracellulaire).

Les membranes cellulaires se distinguent les unes des autres par leur proportion lipides-protéines, par celle de leurs différents lipides et par la nature de leurs protéines. Ces protéines sont responsables des propriétés fonctionnelles des membranes, propriétés qui dépendent en particulier de leur positionnement asymétrique dans la bicouche lipidique [cf. MEMBRANES CELLULAIRES].

Les structures fibreuses du cytosquelette intracellulaire sont des polymères protéiques: polymères de protéines globulaires pour les microtubules et les filaments d’actine, polymères de protéines fibreuses pour les filaments intermédiaires (fig. 6 b). Les microtubules sont constitués de 11 rangées de tubulines disposées comme les génératrices d’un cylindre, les filaments d’actine sont formés de 2 chapelets d’actine torsadés. Dans un filament intermédiaire les molécules sont disposées bout à bout en rangées qui sont décalées l’une par rapport à l’autre. Selon les types cellulaires, les filaments intermédiaires sont constitués de vimentine, de desmine, de kératine ou de protéines spécifiques des cellules nerveuses.

Chaque élément du cytosquelette est donc un polymère dont l’architecture est précise et originale. La cellule est capable de dépolymériser ses microtubules et ses filaments d’actine en dimères de tubulines ou en monomères d’actine globulaire, dimères et monomères qu’elle peut ensuite repolymériser. Les filaments intermédiaires ne peuvent être dépolymérisés; quand ils disparaissent, c’est qu’ils sont digérés par la cellule.

Les complexes nucléoprotéiques sont formés par l’association d’une ou plusieurs chaînes d’ARN simple brin à des protéines, c’est le cas des ribosomes, ou par l’assemblage d’une molécule d’ADN double brin à des histones, c’est le cas des nucléofilaments chromosomiques des eucaryotes. Un ribosome de colibacille est constitué de deux sous-unités de taille inégale: la petite et la grosse. La petite sous-unité comporte une molécule d’ARNr à laquelle sont associées 21 molécules protéiques différentes. Les ribosomes des cellules eucaryotes ont également deux sous-unités; ceux du cytoplasme sont les mieux connus: leur petite sous-unité comporte 1 molécule d’ARNr et 33 protéines, la grosse 3 molécules d’ARNr et 49 protéines. Bien que l’on ne comprenne pas encore dans le détail la structure tridimensionnelle des sous-unités des ribosomes, on connaît leur forme générale et les régions où affleurent en surface certaines des protéines; cette structure tridimensionnelle est extrêmement précise et confère au ribosome ses propriétés de micromachine-outil qui attache les acides aminés entre eux et synthétise ainsi des chaînes polypeptidiques; tout changement de la structure du complexe fait perdre aux ribosomes leurs fonctions.

Dans un nucléofilament, les histones, qui sont de 4 types, sont associées en octamères comportant 2 molécules de chaque type; autour d’un octamère est enroulé 1 tour 3/4 d’ADN double brin. Ce complexe est un noyau nucléosomique et le long d’un nucléofilament se succèdent régulièrement ces noyaux nucléosomiques reliés entre eux par des segments d’ADN auxquels ne sont pas associés d’histones (fig. 6 c).

L’assemblage des molécules en édifices d’architecture bien définie se fait dans la cellule selon deux processus différents: l’insertion de lipides et de protéines dans des membranes préexistantes, l’auto-assemblage des molécules en polymères protéiques ou en complexes nucléoprotéiques.

L’insertion des lipides se fait en même temps qu’ils sont synthétisés par des enzymes de la membrane plasmique dans les cellules procaryotes ou par des enzymes des membranes du réticulum endoplasmique dans les cellules eucaryotes. Ces lipides peuvent ensuite être transférés vers d’autres membranes par des protéines porteuses du cytosol, par exemple du réticulum endoplasmique vers les membranes mitochondriales. Une partie des protéines membranaires est insérée au cours de leur synthèse par des ribosomes attachés à la membrane plasmique des procaryotes ou aux membranes du réticulum des eucaryotes; les autres protéines s’associent à la bicouche lipidique des membranes après qu’elles ont été synthétisées par des ribosomes libres du cytosol. Le positionnement asymétrique des protéines vers les membranes est une conséquence de leur mode d’insertion pendant ou après leur synthèse.

L’assemblage des polymères protéiques et des complexes nucléoprotéiques se fait par reconnaissance des molécules qui se positionnent les unes par rapport aux autres comme les pièces d’un puzzle à trois dimensions. En effet ces molécules ont à leur surface des régions de formes complémentaires appelées sites stéréospécifiques, sites qui leur permettent de s’associer spontanément en édifices de géométrie définie. Un tel processus est un auto-assemblage: il ne met en jeu que les molécules elles-mêmes. C’est évidemment une économie pour la cellule, puisqu’à partir des matériaux de construction qu’elle synthétise, il ne lui est pas nécessaire d’utiliser des outils ou des échafaudages pour construire l’édifice moléculaire. La cellule est néanmoins capable de réguler les auto-assemblages, en particulier celui des polymères; le positionnement des premières molécules de tubulines d’un microtubule est favorisé par des structures encore mal connues que sont les centres organisateurs de la polymérisation des microtubules; ces centres déterminent l’emplacement et l’orientation des microtubules dans les cellules eucaryotes. Le matériel qui entoure les centrioles est un centre organisateur qui induit la polymérisation de microtubules à disposition rayonnante. L’équilibre actine globulaire-filament d’actine est sous la dépendance de protéines régulatrices dont les unes facilitent la polymérisation de l’actine et d’autres la dépolymérisation des filaments.

3. L’information cellulaire

Toutes les structures et toutes les activités des cellules sont définies par un programme qui correspond à des informations portées par les molécules d’ADN double brin: molécules d’ADN des chromosomes, plasmides, ADNmt, ADNct. Ces informations sont les gènes, segments d’ADN dont la séquence des désoxyribonucléotides code pour une molécule d’ARN; l’ensemble des gènes est le génome de la cellule.

Transcription, traduction, réplication

L’information portée par un gène s’exprime par la synthèse de molécules d’ARN simple brin dont la séquence des bases des ribonucléotides est complémentaire de celle des bases d’un des brins de l’ADN du gène; cette expression de l’information est la transcription du gène et selon le gène l’ARN transcrit est soit un ARN messager (ARNm), soit un ARN ribosomien (ARNr), soit un ARN de transfert (ARNt) (fig. 7 a). Les trois types d’ARN sont utilisés pour la synthèse des chaînes polypeptidiques des protéines. La séquence des nucléotides d’un ARNm est traduite en séquence d’acides aminés par les ribosomes qui sont des complexes ARNr protéines; en fait c’est la séquence de trois nucléotides adjacents ou codon qui spécifie chaque acide aminé, la table de correspondance entre les 64 codons et les 20 acides aminés étant le code génétique. Lors de la traduction des ARNm par les ribosomes, les acides aminés doivent être liés chacun à une molécule d’ARNt qui au niveau du ribosome permet de positionner l’acide aminé en regard de son codon; ce positionnement se fait grâce à une séquence de 3 nucléotides située au milieu de la chaîne d’ARNt, séquence qui est complémentaire de celle du codon et qu’on appelle anticodon.

L’expression de l’information cellulaire par transcription des gènes permet donc la traduction des ARNm par les ribosomes, c’est-à-dire la synthèse des chaînes polypeptidiques des protéines, molécules qui sont fondamentales pour la cellule car ce sont soit des matériaux de construction, soit des enzymes qui catalysent les réactions biochimiques, soit des régulateurs de l’activité cellulaire.

L’information cellulaire peut également être copiée puis transmise d’une cellule mère à deux cellules filles. La copie de l’information se fait par synthèse de deux molécules d’ADN à partir de chaque molécule d’ADN parental selon un mécanisme qui est la réplication; les deux molécules ainsi synthétisées sont strictement identiques à la molécule parentale qui leur a donné naissance (fig. 7 b).

Les deux lots de molécules d’ADN chromosomique peuvent ensuite être partagés entre deux cellules filles selon un processus complexe et précis: la division cellulaire. Au cours de la division les molécules d’ADN extrachromosomiques: plasmide, ADNmt et ADNct sont réparties au hasard lors de la bipartition, étape finale de la division (ou cytodiérèse) qui individualisera les deux cellules filles.

Provenant des divisions successives d’une cellule œuf, les cellules d’un organisme pluricellulaire celui de l’être humain ont toutes la même information; leurs génomes sont identiques et pourtant les cellules ne sont pas toutes semblables: on distingue des fibroblastes, des cellules nerveuses ou neurones, des cellules musculaires, des globules blancs, etc. Ces différences entre cellules sont dues au fait que selon les types cellulaires, les gènes qui sont transcrits ne sont pas tous les mêmes, les gènes qui codent pour le collagène et l’élastine sont transcrits dans les fibroblastes mais ne le sont pas dans les neurones ou les globules blancs [cf. PROGRAMME GÉNÉTIQUE].

Au cours de l’existence d’une cellule, la nature des gènes qui sont transcrits dans cette cellule, peut-être modifiée. Par exemple, certaines souches de colibacille ne synthétisent l’enzyme catalysant l’hydrolyse du lactose en galactose et lactose que si le lactose est présent dans le milieu de culture; en absence de lactose, la bactérie arrête la transcription de l’ARN, codant pour cette enzyme. Bien que la régulation de la transcription des gènes soit encore difficile à comprendre, on sait qu’elle fait intervenir une région adjacente au gène: son promoteur, qui n’est pas transcrit.

Modifications de l’information

L’information d’une cellule peut être modifiée de diverses façons: changement de la séquence nucléotidique des gènes, introduction d’informations nouvelles gardant leur autonomie de réplication, réarrangement de l’information par échange ou addition de gènes d’origines variées, réarrangement par déplacement de gènes d’un site à un autre (fig. 8).

Les changements de la séquence d’un gène correspondent soit à la substitution d’une paire de nucléotides par une autre, soit à la perte ou à l’insertion d’une paire de nucléotides (ou même d’un segment de plusieurs paires). Ces changements ou mutations se transmettent aux générations suivantes, elles sont héréditaires. Quand ces mutations affectent le gène d’un ARNm, elles entraînent une modification de la chaîne polypeptidique codée par ce gène; en effet ces mutations provoquent le changement d’un ou plusieurs codons de l’ARNm et donc le changement d’un ou plusieurs acides aminés dans la chaîne lors de la traduction. Ce changement de la séquence des acides aminés de la chaîne polypeptidique peut lui faire perdre ses propriétés biologiques: par exemple ses propriétés catalytiques s’il s’agit d’une enzyme; on comprend ainsi que certaines de ces mutations aient des conséquences plus ou moins dramatiques sur le fonctionnement de l’organisme et de sa descendance (fig. 8 a).

La fréquence des mutations géniques est normalement très faible, mais elle est augmentée par certains agents physiques ou chimiques dits mutagènes: rayons ultra-violets, radiations ionisantes, agents alkylants, peroxydes organiques, molécules s’intercalant entre les paires de bases comme l’acridine. Il faut noter que la plupart des agents mutagènes peuvent également rendre les cellules cancéreuses, ils sont aussi cancérigènes.

L’introduction d’informations nouvelles correspond soit à l’infection d’une cellule procaryote ou eucaryote par un virus, soit à l’entrée dans une bactérie d’un plasmide différent de ceux qu’elle possède déjà.

Un virus est une particule constituée d’un acide nucléique (ADN ou ARN simple ou double brin) qui est emballé dans une boîte protéique ou capside. La capside protège l’information virale quand le virus est extracellulaire et permet en outre l’entrée de cette information dans une cellule hôte. Les virus les plus simples n’ont que 3 gènes, les plus complexes 250 environ. L’information virale qui a pénétré dans une cellule est alors transcrite et traduite par les enzymes et les ribosomes de l’hôte ce qui permet la synthèse de protéines de la capside et d’acide nucléique viral. Ces constituants s’assemblent en nouvelles particules virales qui sortent alors de la cellule hôte et peuvent à leur tour infecter d’autres cellules. L’introduction d’information virale dans une cellule hôte modifie donc son programme puisqu’elle synthétise alors des molécules qu’elle ne produisait pas auparavant; selon les virus, cette modification de programme entraîne ou non la mort de la cellule hôte (fig. 8 b).

Certains plasmides peuvent être transférés d’une bactérie à une autre. Ces plasmides possèdent des gènes qui, en s’exprimant dans la bactérie, entraînent la formation sur leur membrane plasmique de tubes creux: les pili. Les plasmides passent alors d’une cellule à l’autre par les pili selon un processus qui est la conjugaison, d’où le nom de plasmide conjugatif qui leur est donné. La bactérie qui reçoit un tel plasmide synthétise alors de nouvelles protéines, celles qui sont codées par les gènes du plasmide (fig. 8 c). Les plasmides de résistance aux antibiotiques possèdent des gènes codant pour des enzymes qui inactivent certains antibiotiques; ces plasmides sont responsables de la résistance à ces antibiotiques des bactéries qui les renferment. En transférant leurs plasmides, ces bactéries ont la redoutable propriété de rendre résistantes les bactéries de la même espèce qui ne l’étaient pas jusqu’ici et même de rendre résistantes des bactéries d’espèces différentes, d’où la propagation de la résistance aux antibiotiques dans les populations bactériennes, en particulier celles des milieux hospitaliers.

Les échanges de gènes entre deux molécules d’ADN ou l’addition de gènes à une molécule d’ADN modifie l’information portée par ces molécules. Ces réarrangements sont des recombinaisons, et les molécules d’ADN ayant subi ces modifications sont dites recombinées. À la différence des gènes viraux et des plasmides dont nous avons parlé plus haut et dont l’information se réplique indépendamment de celle portée par les chromosomes nucléaires, les gènes échangés ou ajoutés par recombinaison sont répliqués en même temps que la molécule d’ADN à laquelle ils se sont intégrés.

Les échanges de gènes se font au niveau de régions où les séquences nucléotidiques des deux molécules d’ADN sont très voisines, ces régions sont dites homologues. Par exemple dans les cellules diploïdes qui possèdent deux jeux de chromosomes semblables, les échanges se font entre les ADN de deux chromosomes d’une même paire. Lors de la méïose, phénomène qui à partir d’une cellule diploïde conduit à la formation de quatre cellules reproductrices ou gamètes, de telles recombinaisons sont fréquentes et ont été décrites depuis longtemps par les Anglo-Saxons sous le nom de crossing-over.

L’addition de nouveaux gènes à l’ADN d’un chromosome nucléaire se produit lors de l’infection par certains virus; l’information virale s’intègre dans le cas à l’information chromosomique au niveau d’un site bien précis de l’ADN et elle est répliquée en même temps qu’elle. Selon les virus, l’information virale est ou non exprimée, la régulation de cette expression étant encore très mal connue, comme c’est le cas pour les virus oncogènes, virus qui transforment les cellules normales en cellules cancéreuses. Par recombinaison leur génome s’intègre au génome nucléaire; tant que le génome viral n’est pas exprimé la cellule reste normale, lorsqu’il est exprimé, la cellule devient cancéreuse (fig. 8 d).

Le déplacement des gènes d’un site à un autre est la transposition et les segments porteurs de gènes transposables sont appelés transposons. À la différence des recombinaisons, les transpositions se font dans n’importe quelle région de l’ADN; découverte d’abord chez les procaryotes, on sait maintenant que la transposition existe également chez les eucaryotes. Si l’insertion d’un transposon se fait au milieu d’un gène, l’information portée par ce gène est perdue puisque la séquence insérée modifie complètement celle du gène; mais si le transposon quitte ensuite le gène pour aller vers un autre site, le gène redevient normal. Là encore nous constatons que la transposition est un processus qui peut modifier de façon réversible l’information cellulaire (fig. 8 e).

Il est possible d’introduire dans des bactéries et même dans des cellules eucaryotes des ADN recombinés, construits au laboratoire et qui changent alors l’information des cellules. Cette ingénierie génétique utilise des techniques qui s’inspirent des processus naturels que nous avons évoqués plus haut; elle offre des possibilités extraordinaires comme la production industrielle d’hormones peptidiques par des bactéries ou même la modification du génome d’une souris par insertion de gènes dans l’œuf avant son développement.

4. La cellule et son environnement

La cellule n’est pas un système clos sans relations avec le milieu qui l’environne: bien au contraire elle puise ou rejette dans le milieu extracellulaire des ions et des molécules, contracte des relations avec ses voisines et même peut recevoir et amplifier des signaux chimiques qui modulent son fonctionnement.

Échanges à travers la membrane plasmique

La membrane plasmique est perméable de façon sélective à certains ions et à certaines molécules qui sont transportés de l’extérieur de la cellule vers le cytosol ou dans le sens contraire. Les transports d’ions maintiennent le pH et la composition ionique dans d’étroites limites afin que le milieu intracellulaire soit le plus favorable aux activités enzymatiques. Les transports de molécules permettent l’importation de matériaux de construction et de combustibles ou le rejet de déchets. Ces transports mettent en jeu des constituants de la membrane, en particulier des protéines; leur sens dépend des gradients de concentration existant entre le cytosol et le milieu extracellulaire, il dépend également pour certains d’entre eux de l’activité énergétique de la cellule. Quand un transport se fait dans le sens du gradient, c’est-à-dire du milieu le plus concentré vers le milieu le moins concentré, il s’agit d’un transport passif; quand le transport se fait dans un sens opposé au gradient, on parle de transport actif et dans ce cas la cellule dépense de l’énergie (fig. 9 a).

Les transports passifs se font par diffusion à travers la bicouche lipidique pour l’oxygène, le gaz carbonique et les substances liposolubles comme les acides gras, l’alcool éthylique ou les dérivés du cholestérol. Pour l’eau et les ions Na+, K+, C1-, la traversée de la membrane se fait par des canaux hydrophiles constitués de protéines intégrées. Dans certains cas le transport passif de molécules est effectué par des protéines ou des glycoprotéines spécifiques appelées transporteurs qui les font passer rapidement d’une face à l’autre de la membrane: un tel transport est une diffusion facilitée, c’est le cas par exemple du glucose qui entre dans les globules rouges humains.

Les transports actifs mettent en jeu des pompes membranaires qui sont formées de sous-unités protéiques dont certaines sont glycosylées. Lors du transport il y a phosphorylation d’une sous-unité de la pompe par l’ATP, puis déphosphorylation, ces phénomènes entraînant des changements de conformation qui permettent à des ions de franchir la membrane plasmique contre le gradient de concentration. L’énergie nécessaire au transport est fournie par l’hydrolyse de l’ATP, hydrolyse qui est catalysée par la pompe elle-même appelée pour cette raison ATPase. L’ATPase membranaire la mieux connue est l’ATPase Na+, K+ dépendante qui fait sortir 3 Na+ de la cellule en même temps qu’elle y fait rentrer 2 K+. Le fonctionnement de cette pompe explique pourquoi le cytosol est toujours pauvre en Na+ et riche en K+ alors que c’est le contraire dans le milieu extracellulaire.

Certains transports dépendent du gradient ionique qui est maintenu par le fonctionnement des pompes membranaires. Par exemple dans les cellules absorbantes de l’intestin, le glucose est transporté simultanément avec l’ion sodium; ce cotransport est effectué par un transporteur membranaire protéique dont le fonctionnement est couplé à celui de l’ATPase Na+, K+; après être rentré avec le glucose, le sodium est rejeté dans le milieu extracellulaire par la pompe. Dans les cellules absorbantes existent également des transporteurs qui réalisent le cotransport des acides aminés et du sodium.

Endocytose, exocytose

La cellule peut prélever dans le milieu extracellulaire des molécules ou des particules qu’elle emprisonne dans les poches qui se détachent de sa surface, ce phénomène est l’endocytose (fig. 9 b). Il permet soit la capture de corpuscules de grande taille dans des vacuoles de quelques micromètres de diamètre – c’est la phagocytose – soit le prélèvement de gouttelettes de milieu extracellulaire dans les vésicules de moins de 0,1 mm de diamètre – c’est la pinocytose. Lors de l’endocytose il y a en général adsorption des particules ou des molécules à la membrane plasmique par interaction avec des glycoprotéines membranaires qui sont des récepteurs très spécifiques. L’invagination de la membrane et son détachement de la surface mettent en jeu des filaments du cytosquelette et consomment de l’énergie. Les matériaux capturés par endocytose sont parfois stockés par la cellule qui les met en réserve, le plus souvent ils sont digérés, les produits de la digestion étant utilisés par la cellule comme matériaux de construction ou comme combustibles. Dans les vacuoles ou les vésicules d’endocytose sont déversées des hydrolases contenues dans les lysosomes, ceci par fusion de la membrane des lysosomes avec la membrane des vacuoles ou des vésicules qui deviennent alors de véritables estomacs à l’échelle cellulaire appelés vacuoles digestives.

La cellule est également capable de décharger dans le milieu extracellulaire des produits qu’elle a synthétisés et emballés dans des vésicules de sécrétion ou les déchets qui n’ont pas été digérés dans les vacuoles digestives. Ce phénomène est l’exocytose, (fig. 9 c), il correspond à la fusion de la membrane des vésicules de sécrétion ou de la membrane des vacuoles digestives avec la membrane plasmique.

Quelle que soit l’importance de l’endocytose ou de l’exocytose, la surface cellulaire reste constante grâce à un recyclage de surfaces membranaires. Il existe en effet un équilibre entre ces deux phénomènes qui empêche que dans les cellules où la phagocytose est intense leur membrane plasmique diminue de surface, ou que dans celles où l’exocytose est élevée leur membrane augmente de surface.

Jonctions intercellulaires

Dans les organismes pluricellulaires, les cellules voisines ont souvent à leur surface des dispositifs qui les maintiennent côte à côte ou qui leur permettent de communiquer entre elles, ce sont les jonctions intercellulaires. Dans les couches de cellules qui chez les animaux séparent deux compartiments et qu’on nomme épithéliums, existent des jonctions qui assurent leur étanchéité. Ces jonctions dites zonula occludens empêchent que les ions et les molécules passent d’un compartiment à l’autre par les espaces intercellulaires. D’autres jonctions – les desmosomes – sont des boutons adhésifs, d’autres enfin sont des canaux intercellulaires qui permettent le passage d’ions et de petites molécules d’une cellule à sa voisine, ce sont les jonctions communicantes (gap junctions des Anglo-Saxons). Là encore on retrouve l’importance des protéines dans les fonctions de la membrane plasmique, puisque toutes ces jonctions mettent en jeu des protéines membranaires particulières. Dans les cellules végétales les seules jonctions existantes sont les plasmodesmes par lesquels se font d’une cellule à ses voisines des échanges d’ions et de molécules.

Réception de signaux

Dans un organisme pluricellulaire (dans le corps humain il y a environ 100 milliards de cellules) les cellules communiquent entre elles afin que leurs activités soient coordonnées et harmonisées. Les communications se font par des signaux chimiques appelés médiateurs. Les uns parcourent des distances courtes, ce sont les neuromédiateurs qui mettent en relation soit deux cellules nerveuses soit une cellule nerveuse et une cellule musculaire, soit encore une cellule nerveuse et une cellule glandulaire, ces cellules étant séparées l’une de l’autre par un espace intercellulaire de 50 nm d’épaisseur ou moins; dans ces cas, les communications s’établissent au niveau de régions spécialisées: les synapses. D’autres médiateurs parcourent de longues distances (quelques millimètres à quelques mètres selon la taille des organismes); ils sont sécrétés par des cellules glandulaires et véhiculés par le sang: ce sont les hormones.

Quel que soit le médiateur, le signal chimique qu’il représente est perçu par une cellule dite cellule cible grâce à des récepteurs auxquels il se lie de façon spécifique. La liaison médiateur-récepteur entraîne une cascade d’événements qui modifient l’activité de la cellule cible.

Les médiateurs hydrosolubles comme les hormones peptidiques ou les neuro-médiateurs ne pénètrent pas dans les cellules cibles; ils se lient à des récepteurs de la membrane plasmique qui sont des protéines intégrées ou périphériques (fig. 10 a). Selon le médiateur, la formation du complexe médiateur-récepteur provoque soit l’activation d’une adénylate cyclase membranaire qui catalyse la formation d’AMP cyclique (AMPc) à partir d’ATP, soit une entrée de calcium qui se fixe sur une protéine membranaire ou intracellulaire: la calmoduline, soit encore une entrée brutale de sodium. L’AMPc active une kinase qui phosphoryle différentes enzymes dont les propriétés catalytiques sont alors activées. La calmoduline qui a fixé du calcium active différentes kinases qui à leur tour activent ou inactivent certaines enzymes. AMPc et calmoduline modifient donc les activités biochimiques de la cellule cible de façon significative car il y a amplification du signal perçu par le récepteur à la suite d’une cascade de réactions enzymatiques.

L’entrée du sodium provoquée par un neurotransmetteur provoque une dépolarisation de la surface cellulaire; s’il s’agit d’une cellule nerveuse il y a propagation de cette dépolarisation depuis la région synaptique sur toute la surface cellulaire; s’il s’agit d’une cellule musculaire, la dépolarisation déclenche sa contraction.

Les médiateurs solubles dans les lipides comme les hormones stéroïdes sont véhiculés dans le sang par des protéines porteuses. Au niveau des cellules cibles ils diffusent dans la bicouche lipidique de leur membrane plasmique puis se lient dans le cytosol à un récepteur protéique spécifique (fig. 10 b). Le complexe hormone-récepteur migre ensuite dans le noyau et là il stimule ou inhibe la transcription de certains gènes. Dans ces conditions les activités de la cellule changent car de nouvelles protéines sont synthétisées tandis que d’autres ne le sont plus.

5. Les conversions d’énergie par la cellule

Régénération de l’ATP

Les cellules consomment de l’énergie pour leurs différentes activités: biosynthèse de molécules, production de mouvements, transports actifs; cette énergie est fournie par l’hydrolyse de molécules d’ATP en ADP et phosphate inorganique. Dans ces conditions les travaux cellulaires ne peuvent se poursuivre que si les molécules d’ATP consommées sont régénérées par phosphorylation de l’ADP, régénération qui demande de l’énergie; selon les cellules, cette énergie provient soit de l’oxydation de combustibles, soit de l’énergie lumineuse du soleil. Les combustibles quantitativement les plus importants sont le glucose et les acides gras. Ces molécules sont désignées sous le nom de substrats du métabolisme. Les oxydations qui permettent la régénération de l’ATP se font par déshydrogénations successives, d’un substrat, l’hydrogène enlevé au combustible étant transféré à un coenzyme nucléotidique d’une deshydrogénase: nicotine adénine dinucléotide (NAD), flavine adénine dinucléotide (FAD), flavine adénine mononucléotide (FMN).

Lorsque les cellules disposent d’oxygène, le glucose et les acides gras sont entièrement oxydés en gaz carbonique et eau; ces oxydations aérobies consomment de l’oxygène et produisent du gaz carbonique, phénomènes qui caractérisent la respiration. Dans ce cas l’oxygène est le dernier accepteur des hydrogènes enlevés aux combustibles et il y a formation d’eau; quant au gaz carbonique, il provient de réactions de décarboxylation qui se font au cours de la dégradation du combustible. Chez les bactéries aérobies l’oxydation des combustibles se fait dans le cytosol, chez les eucaryotes elle se fait dans divers compartiments: cytosol puis matrice des mitochondries pour le glucose, matrice mitochondriale et motrice des peroxysomes pour les acides gras.

Après avoir été transférés sur des coenzymes nucléotidiques, les atomes d’hydrogène sont transportés jusqu’à l’oxygène moléculaire par une chaîne de transporteurs dite chaîne respiratoire, le long de laquelle se succèdent des oxydoréductions (fig. 11 a). Les transporteurs de la chaîne respiratoire sont des molécules de la membrane plasmique des bactéries aérobies ou des molécules de la membrane mitochondriale interne des cellules eucaryotes; les unes transportent à la fois 1 proton et 1 électron, c’est à dire un atome d’hydrogène (quinones, deshydrogénases à FMN), les autres ne transportent qu’un électron (cytochromes, protéines fer-soufre). Compte tenu du positionnement asymétrique des transporteurs dans la bicouche lipidique de la membrane, au cours du transport des électrons à l’oxygène il y a simultanément translocation de protons: chez les bactéries, du cytosol vers le milieu extracellulaire, chez les eucaryotes, de la matrice mitochondriale vers l’espace situé entre les deux membranes de la mitochondrie. Cette translocation crée à travers la membrane un gradient électrochimique de protons, gradient qui exerce sur les protons une force tendant à les faire revenir de l’autre côté de la membrane, force appelée par Peter Mitchell force protomotrice.

Entraînés par la force protomotrice, les protons traversent la membrane au niveau d’une ATPase H+ dépendante. L’énergie libérée par le flux de protons qui traverse l’ATPase permet la phosphorylation de l’ADP en ATP. C’est donc par l’établissement d’un gradient de protons qui se fait le couplage entre l’oxydation des combustibles et la phosphorylation de l’ADP, couplage qui est la phosphorylation oxydative.

En absence d’oxygène, l’oxydation des combustibles est incomplète mais il y a néanmoins phosphorylation de molécules d’ATP par des enzymes du cytosol. Le dernier accepteur d’hydrogène est un produit de la dégradation des combustibles: pour le glucose, l’acide pyruvique qui est converti en acide lactique par les cellules musculaires insuffisamment oxygénées, ou en alcool éthylique par les levures. Ces processus anaérobies sont des fermentations, leur rendement est bien inférieur à celui de la respiration. La fermentation alcoolique d’une molécule de glucose permet de régénérer 2 molécules d’ATP, son oxydation complète par la respiration en régénère 36.

Chez les eucaryotes photosynthétiques et les cyanobactéries, il se fait un transport d’électrons de l’eau à un accepteur nucléotidique, le NADP, nicotine adénine dinucléotide phosphate. Ce transport met en jeu une chaîne de transporteurs dite chaîne photosynthétique (fig. 11 b); deux des réactions d’oxydoréduction se déroulant le long de la chaîne sont des réactions photochimiques qui fournissent l’énergie nécessaire au transport, car celui-ci ne peut se faire spontanément. Chaque réaction photochimique met en jeu une molécule de chlorophylle piège qui est excitée par l’énergie lumineuse qui est collectée par une antenne formée de molécules de pigments (chlorophylle, caroténoïdes, etc.). L’ensemble antenne-chlorophylle piège, ainsi que le donneur et l’accepteur d’électrons qui lui sont associés forment un photosystème.

Les transporteurs d’électrons (quinones, cytochromes, etc.,) et les deux photosystèmes, dits I et II, de la chaîne photosynthétique sont des constituants de la membrane des thylakoïdes. Au cours du transport des électrons de l’eau au photosystème II, il y a dégagement d’oxygène et libération de protons dans l’espace intrathylakoïde; pendant le transport des électrons du photosystème II au photosystème I se fait simultanément une translocation de protons vers l’espace intrathylakoïde; enfin deux protons du stroma pour les chloroplastes, ou du cytosol pour les bactéries sont utilisés pour la réduction du NADP lors du transport des électrons dans la dernière portion de la chaîne. Le transport des électrons de l’eau au NADP entraîne donc la formation d’un gradient de protons à travers la membrane des thylakoïdes; les protons ressortent de l’espace intrathylakoïde par une ATPase H+ dépendante comparable à celle de la membrane mitochondriale interne et à celle de la membrane plasmique des bactéries aérobies et cette sortie de protons permet la régénération de l’ATP. Le couplage énergétique entre les réactions photochimiques et la phosphorylation de l’ADP est la photophosphorylation.

Chez les bactéries la chaîne photosynthétique ne possède qu’un photosystème. Le premier donneur d’électrons n’est pas l’eau, et il n’y a donc pas dégagement d’oxygène; selon les espèces, ce donneur est l’hydrogène sulfuré, l’hydrogène ou le thiosulfate. Le photosystème, les transporteurs d’électrons et l’ATPase H+ qui régénère l’ATP sont des constituants membranaires de thylakoïdes.

Biosynthèses

La biosynthèse de molécules consomme de l’ATP ou d’autres nucléosides triphosphates qui proviennent tous de la conversion de l’ATP; elle nécessite aussi des réducteurs nucléotidiques: NADH obtenus lors de la déshydrogénation de divers substrats, NADPH produit par le cycle des pentoses dont les réactions mettent en jeu des sucres à 5 carbones.Dans les cellules qui captent l’énergie lumineuse le réducteur nucléotidique NADPH est produit par le fonctionnement de la chaîne photosynthétique; la condensation d’une molécule de gaz carbonique avec un pentose, le ribulose 1,5-diphosphate donne deux trioses, sucres à 3 carbones qui sont à l’origine du glucose, synthèse qui consomme de l’ATP, du NADPH qui est oxydé en NADP mais elle ne nécessite pas de lumière.

Production de mouvements

La conversion d’énergie chimique en énergie mécanique, c’est-à dire la production de mouvements cellulaires est réalisée chez les eucaryotes par des glissements de structures fibreuses du cytosquelette les unes par rapport aux autres: glissements de filaments d’actine le long de filaments de myosine, glissements de microtubules.

La myosine est une protéine en forme de bâtonnet dont une des extrémités est renflée en une tête globulaire qui possède une affinité pour l’actine et catalyse la dégradation de l’ATP en ADP. Un filament de myosine est constitué de molécules assemblées tête-bêche; en se fixant sur les têtes de myosine l’ATP est hydrolysé et les têtes s’attachent à un filament d’actine; un changement de conformation entraîne un basculement des têtes et par là même un déplacement du filament d’actine par rapport au filament de myosine (fig. 12 a). La contraction des cellules musculaires, les courants cytoplasmiques, la séparation des cellules filles au cours de la cytodiérèse des cellules animales mettent en jeu de telles interactions.

Le long de certains microtubules sont attachées des molécules de dynéine dont les propriétés rappellent celles des têtes de myosine. En présence d’ATP, ces molécules de 15 nm de long et de 5 nm de diamètre s’attachent à un microtubule voisin et en pivotant le font glisser (fig. 12 b). Ces interactions sont à l’origine des mouvements ciliaires ou flagellaires; les cils et les flagelles sont des digitations de la surface cellulaire qui renferment un faisceau de microtubules, l’axonème, dont la géométrie est très précise; quand la digitation est courte par rapport à la taille de la cellule on parle de cil, quand elle est longue on parle de flagelle. Grâce à la dynéine des interactions se font entre microtubules de l’axonème, l’énergie libérée par l’hydrolyse de l’ATP étant convertie en battement ciliaire ou en ondulation flagellaire.

6. Applications médicales de la biologie cellulaire

La biologie cellulaire non seulement permet de comprendre de mieux en mieux comment fonctionne la cellule normale mais elle contribue aussi à une meilleure interprétation de la cellule malade. On sait actuellement que certaines maladies héréditaires humaines sont dues à des défauts ou à l’absence d’un constituant moléculaire au niveau d’un organite particulier, nous en citerons deux exemples: l’hypercholestérolémie familiale et le syndrome des cils immobiles.

Chez l’homme, le cholestérol, qui entre dans la composition des membranes ou qui sert à la production d’hormones stéroïdes, provient pour une part de l’alimentation et pour une part de sa synthèse à partir de l’acétate. L’essentiel de la synthèse du cholestérol est réalisé dans les cellules du foie ou hépatocytes qui reçoivent également le cholestérol d’origine alimentaire. Les hépatocytes conditionnent le cholestérol dans des particules lipoprotéiques de 20 nm de diamètre que transporte ensuite le plasma sanguin jusqu’aux autres cellules de l’organisme. Ces cellules, ne synthétisant pas le cholestérol, capturent par endocytose les particules lipoprotéiques qui leurs fournissent ainsi le cholestérol dont elles ont besoin. Cette endocytose met en jeu des récepteurs spécifiques glycoprotéiques qui reconnaissent les particules et sont responsables de leur adsorption à la membrane plasmique avant que celle-ci ne s’invagine. Chez les patients atteints d’hypercholestérolémie familiale ces récepteurs spécifiques sont déficients et les particules lipoprotéiques ne se fixent pas à la membrane plasmique. Les cellules de ces malades sont donc incapables de capturer le cholestérol dont elles ont besoin, elles le synthétisent alors à partir de l’acétate. Les particules lipoprotéiques riches en cholestérol demeurent dans le sang ce qui explique le taux élevé de cholestérol dosé dans le plasma; ce cholestérol se dépose en nodules dans le derme de la peau et dans les tendons et forme en outre des plaques contre la paroi des vaisseaux sanguins, ce qui peut entraîner leur obstruction. L’hypercholestérolémie familiale est donc une maladie de la membrane plasmique.

Le syndrome des cils immobiles, maladie humaine rare, est provoqué par une déficience de la dynéine qui ne s’attache pas aux microtubules des cils et des flagelles, ce qui entraîne leur immobilité. Dans ces conditions, le mucus sécrété par les voies respiratoires et les sinus de la face est très mal évacué d’où bronchite et sinusite chroniques; les cellules sensorielles olfactives ne sont plus stimulables ce qui provoque une anosmie; enfin les hommes sont stériles car leurs spermatozoïdes ne se déplacent pas. Le syndrome des cils immobiles est donc une maladie de l’axonème.

Malgré ces succès de la biologie cellulaire, il faut avancer pour comprendre parfaitement les mécanismes qui régulent de façon harmonieuse le fonctionnement des divers organites d’une même cellule et ceux qui régulent dans un même organisme le comportement des cellules entre elles, leur mise en place et leur différenciation au cours du développement embryonnaire. Les réponses à ces questions permettent de mieux comprendre en particulier les mécanismes de la cancérisation, le cancer étant une maladie de la régulation du fonctionnement cellulaire.

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