La cellule est l’unité de base d’un organisme vivant. Dans les organismes multicellulaires (organismes possédant plus d’une cellule), un ensemble de cellules qui travaillent ensemble pour réaliser des fonctions similaires est appelé tissu. Au niveau d’organisation immédiatement supérieur, divers tissus qui remplissent des fonctions coordonnées forment des organes. Enfin, les organes qui travaillent ensemble pour réaliser des processus généraux forment des systèmes corporels.
Types de cellules
Les organismes multicellulaires contiennent une vaste gamme de cellules hautement spécialisées. Les plantes contiennent des cellules de racines, des cellules de feuilles et des cellules souches. Les humains ont des cellules de la peau, des cellules nerveuses et des cellules sexuelles. Chaque type de cellule est structuré pour remplir une fonction hautement spécialisée. Souvent, l’examen de la structure d’une cellule en dit long sur sa fonction dans l’organisme. Par exemple, certaines cellules de l’intestin grêle ont développé des microvillosités (poils) qui favorisent l’absorption des aliments. Les cellules nerveuses, ou neurones, sont un autre type de cellules spécialisées dont la forme reflète la fonction. Les cellules nerveuses se composent d’un corps cellulaire et de longues attaches, appelées axones, qui conduisent les impulsions nerveuses. Les dendrites sont des attaches plus courtes qui reçoivent les impulsions nerveuses.
Les cellules sensorielles sont des cellules qui détectent les informations de l’environnement extérieur et les transmettent au cerveau. Les cellules sensorielles ont souvent des formes et des structures inhabituelles qui contribuent à leur fonction. Les cellules en bâtonnet de la rétine de l’œil, par exemple, ne ressemblent à aucune autre cellule du corps humain. En forme de bâtonnet, ces cellules possèdent une région sensible à la lumière qui contient de nombreux disques. Dans chaque disque est intégré un pigment photosensible spécial qui capte la lumière. Lorsque le pigment reçoit de la lumière de l’environnement extérieur, les cellules nerveuses de l’œil sont déclenchées et envoient un influx nerveux au cerveau. C’est ainsi que les humains sont capables de détecter la lumière.
Les cellules, cependant, peuvent aussi exister en tant qu’organismes unicellulaires. Les organismes appelés protistes, par exemple, sont des organismes unicellulaires. Des exemples de protistes comprennent l’organisme microscopique appelé Paramecium et l’algue unicellulaire appelée Chlamydomonas .
Procaryotes et eucaryotes. On reconnaît deux types de cellules chez les êtres vivants : les procaryotes et les eucaryotes. Le mot procaryote signifie littéralement « avant le noyau ». Comme son nom l’indique, les procaryotes sont des cellules qui ne possèdent pas de noyau distinct. La plupart des organismes procaryotes sont unicellulaires, comme les bactéries et les algues.
Le terme eucaryote signifie « véritable noyau ». Les eucaryotes ont un noyau distinct et des organites distincts. Un organite est une petite structure qui remplit un ensemble spécifique de fonctions au sein de la cellule eucaryote. Ces organites sont maintenus ensemble par des membranes. En plus de leur absence de noyau, les procaryotes sont également dépourvus de ces organites distincts.
La structure et la fonction des cellules
La structure de base de toutes les cellules, qu’elles soient procaryotes ou eucaryotes, est la même. Toutes les cellules possèdent une enveloppe extérieure appelée membrane plasmique. La membrane plasmique maintient la cellule ensemble et permet le passage de substances dans et hors de la cellule. A quelques exceptions mineures près, les membranes plasmiques sont les mêmes chez les procaryotes et les eucaryotes.
L’intérieur des deux types de cellules s’appelle le cytoplasme. Dans le cytoplasme des eucaryotes sont enchâssés les organites cellulaires. Comme indiqué plus haut, le cytoplasme des procaryotes ne contient aucun organite. Enfin, les deux types de cellules contiennent de petites structures appelées ribosomes. Les ribosomes sont les sites au sein des cellules où les protéines sont produites. (Les protéines sont de grosses molécules qui sont essentielles à la structure et au fonctionnement de toutes les cellules vivantes). Les ribosomes ne sont pas délimités par des membranes et ne sont pas considérés, par conséquent, comme des organites.
Mots à connaître
Paroi cellulaire : Revêtement extérieur résistant qui recouvre la membrane plasmique des bactéries et des cellules végétales.
Cils : Courtes projections qui recouvrent la surface de certaines cellules et assurent le mouvement.
Cytoplasme : Substance semi-fluide d’une cellule contenant des organites et enfermée par la membrane cellulaire.
Cytosquelette : Le réseau de filaments qui assurent la structure et le mouvement d’une cellule.
ADN (acide désoxyribonucléique) : Le matériel génétique dans le noyau des cellules qui contient des informations pour le développement d’un organisme.
Réticulum endoplasmique : Le réseau de membranes qui s’étend dans toute la cellule et qui intervient dans la synthèse des protéines et le métabolisme des lipides.
Enzyme : L’une des nombreuses protéines complexes produites par les cellules vivantes et qui déclenchent des réactions biochimiques spécifiques.
Eucaryote : Une cellule qui contient un noyau distinct et des organites.
Flagelle : Structure en forme de fouet qui assure le mouvement de certaines cellules.
Corps de Golgi : Organite qui trie, modifie et emballe les molécules.
Membrane : Couche mince et souple de tissu végétal ou animal qui recouvre, tapisse, sépare ou maintient ensemble, ou relie les parties d’un organisme.
Mitochondrie : La centrale électrique de la cellule qui contient les enzymes nécessaires à la transformation des aliments en énergie.
Enveloppe nucléaire : La double membrane qui entoure le noyau.
Pore nucléaire : Minuscules ouvertures qui cloutent l’enveloppe nucléaire.
Nucléole : La région plus sombre du nucléole où sont fabriquées les sous-unités ribosomiques.
Noyau : Le centre de contrôle d’une cellule qui contient l’ADN.
Organite : Un « organe » cellulaire délimité par une membrane qui remplit un ensemble spécifique de fonctions dans une cellule eucaryote.
Pili : Courtes projections qui aident les bactéries à se fixer aux tissus.
Membrane plasmique : La membrane d’une cellule.
Plastide : Organite de type vésicule présent dans les cellules végétales.
Procaryote : Une cellule sans véritable noyau.
Protéine : Grosses molécules essentielles à la structure et au fonctionnement de toutes les cellules vivantes.
Protiste : Organisme unicellulaire eucaryote.
Ribosome : Une protéine composée de deux sous-unités qui fonctionne dans la synthèse des protéines.
Vacuole : Organelle remplissant l’espace des cellules végétales.
Vésicule : Sphère liée à la membrane qui contient une variété de substances dans les cellules.
La structure des procaryotes. Un exemple de procaryote typique est la cellule bactérienne. Les cellules bactériennes peuvent avoir la forme de bâtonnets, de sphères ou de tire-bouchons. Comme toutes les cellules, les procaryotes sont délimités par une membrane plasmique. Cette membrane plasmique est entourée d’une paroi cellulaire. En outre, chez certaines bactéries, une matière gélatineuse appelée capsule recouvre la paroi cellulaire. De nombreuses bactéries pathogènes possèdent une capsule. La capsule constitue une couche supplémentaire de protection pour la bactérie. Les bactéries pathogènes avec des capsules ont tendance à provoquer des maladies beaucoup plus graves que celles qui n’en ont pas.
Dans le cytoplasme des procaryotes se trouve un nucléoïde, une région où est stocké le matériel génétique de la cellule. (Les gènes déterminent les caractéristiques transmises d’une génération à l’autre). La nucléoïde n’est pas un véritable noyau car elle n’est pas entourée d’une membrane. On trouve également dans le cytoplasme de nombreux ribosomes.
Attachés à la paroi cellulaire de certaines bactéries se trouvent des flagelles, des structures en forme de fouet qui permettent aux bactéries de se déplacer. Certaines bactéries possèdent également des pili, des projections courtes en forme de doigts qui aident la bactérie à se fixer aux tissus. Les bactéries ne peuvent pas causer de maladie si elles ne peuvent pas se fixer aux tissus. Les bactéries qui causent la pneumonie, par exemple, se fixent aux tissus des poumons. Les pili bactériens facilitent grandement cette fixation aux tissus. Ainsi, les bactéries avec des pili, comme celles avec des capsules, sont souvent plus mortelles que celles qui n’en ont pas.
La structure des eucaryotes. Les organites présents chez les eucaryotes comprennent le système membranaire, composé de la membrane plasmique, du réticulum endoplasmique, du corps de Golgi et des vésicules, le noyau, le cytosquelette et les mitochondries. En outre, les cellules végétales possèdent des organites spéciaux que l’on ne trouve pas dans les cellules animales. Ces organites sont les chloroplastes, la paroi cellulaire et les vacuoles. (Voir le dessin d’une cellule végétale à la page 435.)
Membrane plasmique. La membrane plasmique de la cellule est souvent décrite comme étant sélectivement perméable. Ce terme signifie que certaines substances sont capables de traverser la membrane mais que d’autres ne le sont pas. Par exemple, les produits formés par la décomposition des aliments peuvent passer dans une cellule, et les déchets formés à l’intérieur de la cellule peuvent sortir de la cellule. Depuis les années 1960, les scientifiques ont beaucoup appris sur le fonctionnement de la membrane plasmique. Il apparaît que certaines matières sont capables de passer
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par de minuscules trous dans la membrane de leur propre chef. D’autres sont aidés à passer à travers la membrane par des molécules situées à la surface et à l’intérieur de la membrane elle-même. L’étude de la structure et de la fonction de la membrane plasmique est l’une des plus fascinantes de toute la biologie cellulaire.
Réticulum endoplasmique. Le réticulum endoplasmique (RE) est constitué de feuilles aplaties, de sacs et de tubes de membrane qui recouvrent toute l’étendue du cytoplasme d’une cellule eucaryote. Le RE ressemble à un système de métro ou d’autoroute très complexe. Cette analogie n’est pas mauvaise, puisqu’une fonction majeure du RE est de transporter des matériaux dans toute la cellule.
On peut identifier deux types de RE dans une cellule. Un type est appelé RE rugueux et l’autre est appelé RE lisse. La différence entre les deux est que le RE rugueux contient des ribosomes sur sa surface extérieure, ce qui lui donne un aspect rugueux ou granuleux. Le RE rugueux est impliqué dans le processus de synthèse (production) et de transport des protéines. Les protéines fabriquées par les ribosomes fixés au RE rugueux sont modifiées, « emballées », puis expédiées vers diverses parties de la cellule pour y être utilisées. Certaines sont envoyées vers la membrane plasmique, où elles sont déplacées hors de la cellule et dans d’autres parties du corps de l’organisme pour être utilisées.
L’ER lisse a de nombreuses fonctions différentes, notamment la fabrication de lipides (matières grasses), le transport de protéines et la transmission de messages nerveux.
Le corps de Golgi. Le corps de Golgi porte le nom de son découvreur, le scientifique italien du XIXe siècle Camillo Golgi (1843-1926). C’est l’un des organites à la forme la plus inhabituelle. Ressemblant à une pile de crêpes, le corps de Golgi est constitué d’une pile de sacs aplatis et délimités par une membrane. Autour du corps de Golgi se trouvent de nombreuses petites vésicules (particules) entourées de membranes. La fonction du corps de Golgi et de ses vésicules est de trier, modifier et emballer les grosses molécules qui sont sécrétées par la cellule ou utilisées à l’intérieur de la cellule pour diverses fonctions.
Le corps de Golgi peut être comparé au service d’expédition et de réception d’une grande entreprise. Chaque corps de Golgi dans une cellule a une face cis, qui est similaire à la division de réception du département. Ici, le corps de Golgi reçoit les molécules fabriquées dans le réticulum endoplasmique. La face trans du corps de Golgi peut être comparée à la division d’expédition du département. C’est le site à partir duquel les molécules modifiées et emballées sont transportées vers leurs destinations.
Vésicules. Les vésicules sont de petites particules sphériques qui contiennent divers types de molécules. Certaines vésicules, comme indiqué ci-dessus, sont utilisées pour transporter des molécules du réticulum endoplasmique vers le corps de Golgi et du corps de Golgi vers diverses destinations. D’autres types de vésicules remplissent également d’autres fonctions. Les lysosomes sont des vésicules qui contiennent des enzymes impliquées dans la digestion cellulaire. Certains protistes, par exemple, engloutissent d’autres cellules pour se nourrir. Dans un processus appelé phagocytose (prononcé FA-go-sy-to-sis), le protiste entoure une particule de nourriture et l’engloutit dans une vésicule. Cette vésicule contenant la nourriture est transportée dans le cytoplasme du protiste jusqu’à ce qu’elle entre en contact avec un lysosome. La vésicule alimentaire et le lysosome fusionnent, et les enzymes contenues dans le lysosome sont libérées dans la vésicule alimentaire. Les enzymes décomposent la nourriture en plus petites parties qui seront utilisées par le protiste.
Le noyau. Le noyau est le centre de contrôle de la cellule. Sous un microscope, le noyau ressemble à une tache sombre, avec une région plus sombre, appelée le nucléole, centrée en son sein. Le nucléole est le site où les parties des ribosomes sont fabriquées. Le noyau est entouré d’une double membrane appelée enveloppe nucléaire. L’enveloppe nucléaire est couverte de minuscules ouvertures appelées pores nucléaires.
Le noyau dirige toutes les activités cellulaires en contrôlant la synthèse des protéines. Les protéines sont des composés chimiques essentiels qui contrôlent presque tout ce que font les cellules. En outre, elles constituent le matériau à partir duquel les cellules et les parties des cellules elles-mêmes sont fabriquées.
Les instructions pour fabriquer les protéines sont stockées à l’intérieur du noyau dans une molécule hélicoïdale appelée acide désoxyribonucléique, ou ADN. Les molécules d’ADN diffèrent les unes des autres en fonction de certaines unités chimiques, appelées bases azotées, qu’elles contiennent. La façon dont les bases azotées sont disposées dans une molécule d’ADN donnée porte un « message » génétique spécifique. Un arrangement de bases azotées pourrait porter l’instruction « fabriquer la protéine A », un autre arrangement de bases pourrait porter le message « fabriquer la protéine B », encore un troisième arrangement pourrait coder pour le message « fabriquer la protéine C », et ainsi de suite.
La première étape de la synthèse des protéines commence dans le noyau. Dans le noyau, l’ADN est traduit en une molécule appelée acide ribonucléique messager (ARNm). L’ARNm quitte ensuite le noyau en passant par les pores nucléaires. Une fois dans le cytoplasme, l’ARNm se fixe aux ribosomes et lance la synthèse des protéines. Les protéines fabriquées sur les ribosomes peuvent être utilisées dans la même cellule ou expédiées hors de la cellule à travers la membrane plasmique pour être utilisées par d’autres cellules.
Le cytosquelette. Le cytosquelette est le cadre squelettique de la cellule. Cependant, au lieu d’un os, le squelette de la cellule est constitué de trois types de filaments de protéines qui forment des réseaux. Ces réseaux donnent la forme de la cellule et assurent le mouvement cellulaire. Les trois types de fibres du cytosquelette sont les microtubules, les filaments d’actine et les filaments intermédiaires.
Les microtubules sont des tubes très fins et longs qui forment un réseau de « pistes » sur lesquelles les différents organites se déplacent dans la cellule. Les microtubules forment également de petites structures appariées appelées centrioles dans les cellules animales. Ces structures ne sont pas considérées comme des organites car elles ne sont pas délimitées par des membranes. Les centrioles sont impliqués dans le processus de division cellulaire (reproduction).
Certaines cellules eucaryotes se déplacent au moyen de microtubules fixés à l’extérieur de la membrane plasmique. Ces microtubules sont appelés flagelles et cils. Les cellules dotées de cils remplissent également des fonctions importantes dans le corps humain. Les voies respiratoires de l’homme et d’autres animaux sont tapissées de telles cellules qui balaient les débris et les bactéries vers le haut, hors des poumons et dans la gorge. Là, les débris sont soit crachés par la gorge, soit avalés dans le tube digestif, où les enzymes digestives détruisent les bactéries nocives.
Les filaments d’actine sont particulièrement importants dans les cellules musculaires, où ils assurent la contraction du tissu musculaire. Les filaments intermédiaires sont relativement solides et sont souvent utilisés pour ancrer les organites en place dans le cytoplasme.
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Mitochondries. Les mitochondries sont les centrales électriques des cellules. Chaque mitochondrie en forme de saucisse est recouverte d’une membrane externe. La membrane interne d’une mitochondrie est repliée en compartiments appelés cristae (qui signifie « boîte »). La matrice, ou espace intérieur créé par les cristae, contient les enzymes nécessaires aux nombreuses réactions chimiques qui finissent par transformer les molécules alimentaires en énergie.
Organelles végétales. Les cellules végétales possèdent plusieurs organites que l’on ne trouve pas dans les cellules animales. Il s’agit notamment des plastes, des vacuoles et d’une paroi cellulaire.
Les plastes sont des organites de type vésicule qui remplissent une variété de fonctions chez les plantes. Par exemple, les amyloplastes stockent l’amidon et les chromoplastes stockent les molécules de pigment qui donnent à certaines plantes leurs couleurs orange et jaune vibrantes. Les chloroplastes sont des plastides qui réalisent la photosynthèse, un processus au cours duquel l’eau et le dioxyde de carbone sont transformés en sucres.
Les vacuoles sont de grandes vésicules liées par une seule membrane. Dans de nombreuses cellules végétales, elles occupent environ 90 % de l’espace cellulaire. Elles remplissent diverses fonctions dans la cellule, notamment le stockage de composés organiques, de déchets, de pigments et de composés toxiques, ainsi que des fonctions digestives.
Toutes les cellules végétales possèdent une paroi cellulaire qui entoure la membrane plasmique. La paroi cellulaire des plantes est constituée d’une substance glucidique résistante appelée cellulose déposée dans un milieu ou un réseau d’autres glucides. (Un glucide est un composé constitué de carbone, d’hydrogène et d’oxygène que l’on trouve dans les plantes et qui sert de nourriture aux humains et aux autres animaux). La paroi cellulaire constitue une couche supplémentaire de protection entre le contenu de la cellule et l’environnement extérieur. Le caractère croquant d’une pomme, par exemple, est attribué à la présence de ces parois cellulaires.