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ORGANISATION DE LA CELLULE

I.  STRUCTURE DE LA CELLULE

A.  Structure de la cellule vue au microscope photonique.

 

 

1.  Structure de la cellule : les différentes parties de la cellule

  • Cellule animale 

Le frottis sanguin humain

Sang étalé sur une lame, séché, puis traité par un mélange fixateur et colorant.

L’observation permet de distinguer :

  • De nombreuses cellules discoïdes, biconcaves et anucléées appelées hématies ou globules rouges ;
  • Des cellules moins nombreuses que les hématies appelées leucocytes comprenant des lymphocytes (noyau arrondi, cytoplasme peu abondant), des monocytes (noyau arrondi ou incurvé, cytoplasme clair) et des polynucléaires (noyau lobé, cytoplasme granuleux) parmi lesquels on peut citer les polynucléaires neutrophiles, les polynucléaires éosinophiles et les polynucléaires basophiles ;
  •  Des plaquettes anuclées, très petites, souvent rassemblées en amas.
  •  Les cellules de l’épithélium buccal

L’observation d’un fragment de l’épithélium buccal dans une goutte de bleu de méthylène montre des cellules avec un noyau, une membrane cytoplasmique très fine, un cytoplasme renfermant de nombreuses granulations.

  • La cellule végétale
    •  L’observation microscopique d’un fragment d’épiderme d’oignon montre : L'observation d'un fragment d’épiderme de bulbe d’oignon monté entre lame et lamelle dans différents liquides.
    • Dans une goutte de liquide de Ringer, au faible grossissement, on voit des cellules limitées par des parois épaisses de forme allongée et polyédrique. Ces cellules adhérentes entre elles contiennent chacune un noyau visible renfermant généralement deux nucléoles ;
    • Au fort grossissement, dans une goutte de Carmin aluné, nous voyons une cloison incolore formée de deux membranes cellulosiques soudées par un ciment pectique, c’est la paroi pectocellulosique. Des pores ou plasmodesmes sont visibles par endroit ;
    • Dans une goutte de rouge neutre à un grossissement moyen on observe une grosse vacuole colorée en rouge ;
    • Lorsque les cellules sont montées dans de l’eau iodée, au fort grossissement, le noyau est bien visible avec tout autour, de nombreuses inclusions (mitochondries, huiles, appareil de Golgi…).

 Cellules de feuilles d’Elodée

L’observation d’un fragment de feuille d’Elodée dans une goutte d’eau entre lame et lamelle montre des éléments ovoïdes, colorés en vert ; ce sont des chloroplastes. Ils renferment un pigment vert, la chlorophylle.

N.B : on distingue différents types de plastes : les chloroplastes plus caractéristiques, les amyloplastes (pomme de terre) et les chromoplastes (pulpe de tomate).

2.  Plan d’organisation de la cellule

A partir de ces observations nous dirons que la cellule comprend :

  • Une membrane cytoplasmique ou plasmique,
  • Un cytoplasme qui renferme des inclusions,
  • Un noyau.

B.  Structure de la cellule vue au microscope électronique : ultra structure cellulaire

Le microscope électronique, grâce à ses très forts grossissements permet l’observation de la structure fine des organites cellulaires isolés ou des coupes ultrafines des cellules fixées au tétroxyde d’osmium.

1.  La membrane plasmique

  • Description de l’ultra structure

L’analyse chimique de membranes isolées montre que celles-ci sont essentiellement composées de protéines et de lipides. L’étude par microscopie électronique permet de préciser la disposition de ces molécules. Les techniques de cryodécapage et l’observation de répliques en microscopie électronique montrent que la membrane plasmique est formée de deux feuillets sombres séparés par un feuillet clair ; c’est la structure tripartite.

  • Les feuillets sombres sont constitués des pôles hydrophiles des phospholipides et des protéines périphériques ;
  • Le feuillet clair est constitué des chaînes hydrophobes des phospholipides.

La membrane plasmique est traversée par des protéines.

Les éléments constitutifs de la membrane plasmique sont libres et peuvent se déplacer latéralement ; c’est pourquoi on dit qu’elle est considérée comme un édifice fluide. Cette fluidité permet à la membrane de pouvoir se déformer, se rétracter, d’envelopper et de rejeter les particules des substances diverses.

 

 

  • Différenciation morphologique de la membrane plasmique

La membrane des cellules isolées forme parfois des prolongements temporaires ou pseudopodes qui permettent les déplacements ou la capture de proies par phagocytose. Elle porte parfois des organites locomoteurs appelés cils ou flagelles. La membrane des cellules épithéliales libres peut être nue, ciliée ou garnie de microvillosités qui augmentent considérablement la surface d’échange.

Les membranes de deux cellules animales voisines séparées peuvent être étroitement associées, soit par une jonction serrée ou tight-junction, soit par un desmosome, soit par des replis sinueux, soit par des jonctions lacunaires ou gap-junction.

Ces connexions intercellulaires assurent l’adhésion et le maintien de cellules voisines dans un tissu.

Fonction de la membrane plasmique

  • la membrane plasmique maintient l’intégrité de la cellule qu’elle limite grâce aux fonctions multiples (rôle de protection) ;
  • elle assure les échanges entre la cellule et son environnant ;
  • elle possède des molécules nécessaires à la phagocytose (absorption des corps solides) et à la pinocytose (absorption des corps liquides) ; 
  • intervient dans la reconnaissance des molécules circulant dans le milieu extracellulaire ;
  • permet aux cellules de communiquer les unes avec les autres, grâce aux récepteurs membranaires qui se lient spécifiquement aux ligands ; 
  • elle peut posséder des différenciations qui magnifient ses fonctions : les microvillosités pour les cellules absorbantes, jonctions intercellulaires lorsqu’une adhérence forte est nécessaire entre les cellules ou entre cellule et la matrice extracellulaire…

2.  Cytoplasme et ses organites

Le cytoplasme est le compartiment principal de la cellule, délimité par la membrane plasmique. Il s’agit de la membrane, du hyaloplasme et tous les organites vivants constituant le biosome. L’ensemble du cytoplasme, du noyau et des organites vivants de la cellule forme le protoplasme.

  • Le hyaloplasme ou cytosol

Il est caractérisé par son homogénéité. Il a un PH= 6,8. C’est un colloïde formé de 80% d’eau et de 20% de tout ce qui est dans la cellule : glucide, lipide, protéine, ARNm, ARNt, ribosome, ions, etc. Il correspond au cytosol et c’est à lui que le cytoplasme doit ses propriétés physiques essentielles : élasticité, rigidité, contractilité, fluidité, cohésion. Le hyaloplasme est le carrefour des voies métaboliques. Dans le hyaloplasme, on a les dégradations des glucides pour fournir l’énergie nécessaire au fonctionnement de la cellule. Le hyaloplasme est un milieu hyalin et homogène où baignent les organites cellulaires. C’est un milieu aqueux où on a toutes les substances du métabolisme.

Ultra structure et rôle des organites

Un organite est une structure cellulaire caractéristique des cellules eucaryotes situé dans le cytoplasme et délimité par une membrane phospholipide.

Le biosome correspond à l’ensemble des organites vivants présents dans la cellule.

 

  • Les ribosomes Structure

Le ribosome est un petit organite membranaire constitué de 2 sous unités inégales : une petite unité et une grande unité qui s’unissent en période d’activité. Chaque sous unité est formée d’une longue chaîne d’ARN ribosomale associée à des protéines. Les ribosomes sont souvent unis en files appelés polyribosomes ou polysomes. On peut les trouver dans le cytoplasme, le chloroplaste, les mitochondries, sur le réticulum endoplasmique.

Fonction


Les ribosomes sont responsables de la synthèse des protéines et de la formation des chaînes polypeptidiques.

  •  Le réticulum endoplasmique .
    • Structure

Le réticulum endoplasmique est fait d’un réseau de membranes doubles qui délimitent des sacs aplatis. Ces sacs sont souvent groupés en séries grossièrement parallèles. Il est présent dans les cellules eucaryotes et est lié à la membrane nucléaire. Une partie du réticulum endoplasmique est couverte de ribosomes qui rassemblent les acides aminés en chaînes protéiques suivant l’information venue du noyau, il est dit réticulum endoplasmique granuleux ou rugueux ou ergastoplasme (REG ou RER). Les parties sans ribosomes sont appelées réticulum endoplasmique lisse (REL).

Les ribosomes sur le REG insèrent la protéine synthétisée directement dans la lumière du RE, où elles acquièrent leur configuration avant de gagner l’appareil de Golgi.

Rôles

Le RER ou REG assemble et transporte les protéines destinées aux membranes et à la sécrétion. Le REG est le site de la traduction et du repliement lors de la synthèse des protéines. Quand au REL, il intervient dans plusieurs processus métaboliques. Il participe à la synthèse de lipides et joue un rôle pour le début de la glycosylation, la détoxification des cellules et le stockage du calcium (calciosomes, réticulum sarcoplasmique).

  • L’appareil de Golgi
    • Structure

Il est constitué par des unités appelées dictyosomes. Chaque dictyosome est constitué d’une série de sacs membraneux aplatis entourés de nombreuses vésicules membraneuses plus ou moins sphériques. Ces sacs produisent à leurs extrémités, des vésicules golgiennes qui forment des vacuoles de sécrétion, ou grains de zymogène.

 

 

Rôle

L’appareil de Golgi est le lieu de la maturation des glycoprotéines, de l’emballage et du tri des produits de sécrétions.

  • Les lysosomes
    • Structure

Les lysosomes sont des vacuoles où s’opère la digestion des substances ingérées par phagocytose ou par pinocytose ou des organites usés destinés à être remplacés. Ils sont présents dans le cytosol de toutes les cellules animales. Ils sont formés dans l’appareil de Golgi ou le réticulum endoplasmique. Ils renferment soit des substances à digérer soit des enzymes capables de réaliser cette digestion.

 

Rôle

Ils ont pour fonction d’effectuer la digestion intracellulaire (ou extracellulaire via exocytose), de participer à la synthèse de certaines substances (cellulose), de permettre l’autophagie (autodestruction).

Le RE, les ribosomes, l’appareil de Golgi et les lysosomes forment le système membranaire interne.

  • Les mitochondries
    • Structure

Ce sont des grains, des filaments ou, plus souvent des bâtonnets. Chaque mitochondrie est formée de deux membranes mitochondriales, une externe lisse et une interne formant des invaginations sous forme de crêtes ou replis. Ces crêtes sont transversales et augmentent la surface de la membrane et donc la capacité de phosphorylation oxydative. L’intérieur de la mitochondrie est occupé par une substance homogène : la matrice dans laquelle il ya des mitoribosomes, de l’ADN, de l’ATP, des enzymes. On les rencontre dans toutes les cellules. L’ensemble des mitochondries d’une cellule constitue ce que l’on appelle son chondriome.

 

 

Rôle

Elle est considérée comme la « centrale énergétique » de la cellule, car c’est là que se déroulent les dernières étapes du cycle respiratoire qui convertit l’énergie des molécules organiques issues de la digestion (glucose) en énergie directement utilisable par la cellule (ATP).

  • Les plastes

Les cellules végétales renferment des organites appelés protolastes dont la structure est proche de celle des mitochondries. C’est à partir de ces protoplastes que dérivent les différents types de plastes. Suivant la cellule, les plastes peuvent se spécialiser pour accomplir certaines fonctions. Ainsi, les amyloplastes sont spécialisés dans le stockage d’amidon, les chromoplastes qui contiennent des pigments (caroténoïdes), donnent leurs couleurs aux fruits. Les plus caractéristiques, sont les chloroplastes. Ils sont formés chacun d’une membrane à deux feuillets : le feuillet externe lisse et le feuillet interne formé de crêtes longitudinales. Entre les crêtes, il ya des piles de saccules (thylakoïdes) verts de chlorophylle et de caroténoïdes. Chaque pile est un granum. Dans la matrice (stroma), il ya des plastoribosomes, une molécule d’ADN, des granules, des enclaves amylifères… Les chloroplastes, grâce à la chlorophylle qu’ils contiennent sont le siège de la photosynthèse. Les mitochondries et les plastes forment les organites semi-autonomes.

 

 

  • Les centrioles
    • Structure

Le centriole (présent dans le centrosome) est un cylindre formé de 9 triplés de microtubules. La cellule animale possède deux centrioles perpendiculaires situés près du noyau.

N.B : les cils et les flagelles présentent une structure comparable à celle du centriole faite de 9 microtubules doubles et de 2 microtubules situés de part et d’autre de l’axe du cylindre.

Centrosome

Rôle

Le centriole intervient dans la division de la cellule animale par la formation des astères. Il participe également aux mouvements cellulaires. 

  • Les microtubules et les microfilaments

Les microtubules sont des cylindres creux. Les microfilaments sont très fins et plus ou moins allongés. Ils interviennent dans la morphologie cellulaire, le transport intracellulaire, la mobilité cellulaire, la division cellulaire. Les centrioles les microtubules et les microfilaments forment le cytosquelette qui permet de soutenir la forme de la cellule, la motilité cellulaire et servir de points d’ancrage à certaines structures cellulaires.

  • Les inclusions cytoplasmiques

L’ensemble des inclusions, formé par les éléments figurés inertes, et représentant des produits de déchets forme le paraplasme. Ce sont : les réserves glucidiques comme le glycogène en forme de rosette, les accumulations lipidiques et protéiques. Ce sont des produits de l’activité cellulaire. Ils ne sont pas toujours présents dans la cellule, car ils sont synthétisés périodiquement et dépensés au cours de son métabolisme.

  • Le noyau
    • Structure

Il comprend :

L’enveloppe nucléaire. Elle comporte deux membranes séparées par un espace périnucléaire qui par endroits communique avec des cavités du réticulum endoplasmique. Les deux membranes fusionnent à intervalles réguliers, formant des pores nucléaires. Elle est une portion différenciée du réticulum endoplasmique ;

Le nucléoplasme liquide gélatineuse dans lequel de nombreuses substances sont dissoutes (enzyme, protéines, facteurs de transcription, nucléotides triphosphates) ;

Le nucléole, corpuscule comprenant une partie fibrillaire et une partie granulaire ; 

La chromatine, formée de filaments ou chromosomes qui peuvent être soient déroulés (euchromatine) soient pelotonnés (métachromatine ou hétérochromatine).

Le nucléole et la chromatine baignent dans le nucléoplasme.

Rôle

Il a deux fonctions principales : contrôler les réactions chimiques du cytoplasme et stocker les informations nécessaires à la division cellulaire, conserver l’information génétique ainsi que de contrôler la synthèse d’ADN et sa transcription en ARN.

  • La vacuole

La vacuole est un compartiment délimité par une membrane appelée tonoplaste.

Elle est remplie d’eau et contient diverses molécules inorganiques et organiques comme les enzymes. Elle est grosse dans la cellule végétale et petite dans la cellule animale. Ses fonctions sont :
✓ La gestion des déchets à l’aide d’enzyme de digestion ;

✓ L’isolement de composant potentiellement nocif pour la cellule ;

✓ Le maintien de l’équilibre hydrique ;

✓ Le stockage de l’eau et de molécules tel que certains pigments, molécules de défense ;

✓ Rôle dans la pression et la turgescence cellulaire permettant la rigidité de certaines structures telles que les fleurs, les tiges ou les feuilles. 

C.  Comparaison d’une cellule animale avec une cellule végétale

Les deux types de cellules possèdent en commun :

  • Une membrane cytoplasmique ;
  • Un cytoplasme ; 
  • Un appareil de Golgi ;
  •  Des mitochondries ;
  • Un noyau ;
  • Les vacuoles (très réduites dans la cellule animale).
    •  Les centrioles, les petites vacuoles sont propres aux cellules animales.
    • Les grosses vacuoles, la membrane squelettique, les plasmodesmes, les plastes comme les chloroplastes, les amyloplastes ou les chromoplastes, sont des organites spécifiques des cellules végétales.

 

II.  LES ACIDES NUCLEIQUES : ADN et ARN

A.  Mise en évidence et Localisation

1.  Mise en évidence

  • Les analyses chimiques

Des analyses de broyats cellulaires ont permis de recueillir de très grosses molécules provenant des noyaux. Ces macromolécules sont des acides nucléiques. Des analyses ménagées ont montré que certains de ces acides renferment de nombreuses molécules d’un sucre : le désoxy, 2-ribose (C5H10O4) d’où leur nom d’acides désoxyribonucléiques (ADN). D’autres contiennent un pentose, le ribose ; on les appelle acides ribonucléiques ou ARN. Ces macromolécules sont filamenteuses et contenues dans le noyau cellulaire.

  • Les méthodes des colorants (test de Feulgen et de Brachet)

Ces méthodes permettent de mettre en évidence la localisation des acides nucléiques.
 

  • Test de Feulgen : mise en évidence de l’ADN

L’ADN est le constituant essentiel de la chromatine. Sa coloration par la méthode de Feulgen se fait en deux étapes :

Etape1 : on hydrolyse partiellement l’ADN en présence d’acide chlorhydrique dilué. L’hydrolyse libère un sucre réducteur à fonction aldéhyde : le désoxyribose.

Etape2 : ensuite, on traite au réactif de schiff ; le désoxyribose fait apparaître une coloration rouge. Ce sucre n’existe que là où était l’ADN qui a été hydrolysé.

  • Test de Brachet : distinction de l’ADN et de l’ARN

On traite une cellule avec le colorant d’Una, un mélange de vert de méthyle et de pyronine. Le vert de méthyle colore l’ADN en vert et la pyronine colore l’ARN en rose. On compare cette cellule témoin colorée avec ce mélange avec des cellules traitées préalablement avec des enzymes hydrolysant (digérant) : l’ADNase et l’ARNase ensuite colorées.

On réalise 3 préparations microscopiques que l’on colore avec le test de Brachet auquel on associe l’ADNase, l’ARNase.

    •  La préparation ne subit pas de traitement préalable avant coloration : on constate que le cytoplasme et le nucléole sont colorés en rose et la chromatine en vert. (cellule témoins) ;
    •  La préparation est d’abord traitée à l’ARNase avant coloration : seule la chromatine se colore en vert ; le cytoplasme et le nucléole restent incolores ;
    • La préparation est préalablement traitée à l’ADNase et ensuite colorée : seuls le nucléole et le cytoplasme sont colorés en rose ; la chromatine reste incolore.

 Méthode d’autoradiographie

C’est une technique d’imagerie d’émission réalisée à partir d’une source radioactive placée au contact d’une émulsion ou d’un film photographique. Elle utilise des molécules constitutives des acides nucléiques rendues radioactives qui sont données à des cellules en culture qui vont les incorporer dans leurs acides nucléiques. Ainsi :

  • La désoxythymidine radioactive permet de caractériser l’ADN. Celui-ci est synthétisé dans le noyau, il se localise au niveau de la chromatine et ne quitte pas le noyau ;
  • L’uracile radioactif permet de caractériser l’ARN. Celui-ci est synthétisé dans le noyau, au niveau du nucléole et de l’euchromatine ; l’ARN quitte le noyau et passe dans le cytoplasme.

Ces résultats confirment et complètent les résultats du test de Brachet.

Les acides nucléiques sont des macromolécules cellulaires filamenteuses contenues dans le noyau des cellules eucaryotes. Les acides nucléiques sont classés en deux grandes classes de macromolécules :

  •  L’ADN : acide désoxyribonucléique, contient comme pentose le désoxy, 2ribose ;
  •  L’ARN : acide ribonucléique, contient le ribose comme sucre.

2.  Localisation

A partir de ces expériences on a localisé l’ADN dans le noyau (chromatine) et l’ARN dans le nucléole et le cytoplasme.

B.  Composition chimique et structure

1.  Composition chimique

L’hydrolyse enzymatique des acides nucléiques ont permis d’isoler les différents constituants chimiques des acides nucléiques.

  • Composition chimique de l’ADN

L’hydrolyse enzymatique complète de l’ADN permet d’obtenir les constituants suivants :

  •  Un sucre, le désoxyribose (C5H10O4) ;
  •   les bases organiques azotées classées en 2 groupes : les bases puriques : Adénine (A) et Guanine (G) et les bases pyrimidiques : Thymine (T) spécifique de l’ADN et la Cytosine(C) ;
  • L’acide, l’acide phosphorique (H3PO4).
  • Composition chimique de l’ARN :
    • Un sucre, le ribose ; . Un acide, l’acide phosphorique (H3PO4) ;
    • 4 bases organiques azotées : l’Uracile spécifique à l’ARN, la Cytosine, la Guanine et l’Adénine.

 

2.  Structure

  • Structure de l’ADN

L’ADN est formé de deux chaînes de nucléotides rigoureusement complémentaires ou brin enroulées suivant une hélice : c’est une molécule bicaténaire. Les deux chaînes ont une orientation antiparallèle. L’axe central de l’hélice est constitué par les ponts hydrogènes qui unissent les bases entre elles. Ainsi C et G sont unis par trois liaisons hydrogène (C Ξ G) et A et T par deux liaisons hydrogène (A=T). L’adénine est toujours liée à la thymine, et la guanine est toujours liée à la cytosine. L’ADN est spécifique de l’espèce, mais quel que soit l’espèce, le rapport A /T= G/C = 1.

 

 

 

  • Structure de l’ARN

L’ARN est formé par une seule chaîne polynucléotidique : c’est une molécule monocaténaire.

Quand la molécule est repliée sur elle-même, des liaisons hydrogènes s’établissent entre des bases complémentaires. Il existe trois types d’ARN : l’ARN messager ou ARNm, l’ARN de transfert ou ARNt et l’ARN ribosomal ou ARNt.

Un nucléoside est une molécule constitué soit d’un ribose soit d’un désoxyribose liée à une base purique ou pyrimidique via une liaison glycosidique. Si le sucre est un ribose on a un ribonucléoside (adénosine, guanosine, uridine, cytidine, thymidine) par contre si c’est un désoxyribose, on a un désoxyribonucléoside (désoxyadénosine, désoxyguanosine, désoxyuridine, désoxycytinine, désoxythymidine). Le nucléoside est l’unité ou l’élément constitutif des acides nucléiques.

Un nucléotide (ou nucléoside- monophosphate) est un nucléoside avec un phosphate sur le carbone C5’ du pentose. C’est aussi un ester phosphorique de nucléosides. Il existe quatre nucléotides différents selon la nature de la base azotée : le nucléotide à A, le nucléotide à T, le nucléotide à G et le nucléotide à C.