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L’anatomie et les fonctions des cellules
Fonctionnement d'une cellule (IV) Comment fonctionne une cellule ?[5] En fait, si on sait comment elle fonctionne en théorie, les biologistes sont toujours incapables de fabriquer de toute pièce une cellule fonctionnelle. On s'en rapproche avec les travaux de Graig Venter mais de façon encore très simplifiée. Pourquoi ? Car il reste beaucoup de questions ouvertes et donc autant d'inconnues qui peuvent jouer un rôle encore insoupçonné et peut-être important dans l'expression de la vie. La recherche continue. La cellule contient une multitude de vestiges ancestraux témoignant de l’évolution d’une entité de base miniaturisée. Au fil de l’évolution la cellule est devenue une entité à ce point complexe qu’elle ne peut plus être décrite aujourd’hui sans faire appel à la fois à la biochimie et à la biologie moléculaire. L’ère du microscope optique est révolue et nous devons aujourd’hui exploiter la technologie nucléaire pour tenter de trouver une explication unificatrice à son existence. Constituants biochimiques Sur le plan biochimique, la cellule est principalement constituée d’oxygène, d’hydrogène, de carbone et d’azote, éléments que l’on retrouve dans la majorité des composants organiques. Elle comprend de 60 à 70% d’eau, 20% de protéines et environ 4% d’acides nucléiques. Les 6% restants sont partagés entre les acides gras (lipides), les hydrates de carbone (polysaccharides) et d’autres constituants à l’état de trace. Toutes les structures solides que l’on trouve dans une cellule sont des combinaisons complexes de ces différentes macromolécules. La quantité d’eau présente dans la cellule est importante car elle représente un environnement propice au développement des réactions chimiques. Avant toute chose, il faut faire la distinction entre la cellule procaryote, sans noyau, et la cellule eucaryote, qui dispose d’un véritable noyau. La première regroupe les algues bleues et vertes, les bactéries, ainsi que les actinomycètes proches des moisissures qu'on retrouve également dans l'humus. Les cellules eucaryotes reprennent toutes les autres cellules. Leur différence de structure est le signe vraisemblable d’un stade d’évolution différent, la cellule simple ou procaryote étant apparue en premier lieu, avant que l’évolution ne façonne la cellule eucaryote. Elles ont évolué chacune à partir d’une forme ancestrale qui est probablement apparue il y a plus de 3 milliards d’années.
Structure interne d'une cellule Ainsi qu'on le constate à travers la complexité de son génome et des mécanismes qui contrôlent sa reproduction, la cellule eucaryote est loin d'être un organisme primitif, végétatif ou même passif. C'est difficile à imaginer mais une cellule vivante est quelque chose de très élaboré, que l'on peut littéralement comparer à la complexité d'une usine pilotée par ordinateur. Non seulement une cellule entretien des réactions internes mais elle vit également au contact de ses voisines et du monde extérieur avec lesquels elle communique. La cellule eucaryote est une entité autonome. Elle vit, se divise parfois, se nourrit et rejette les déchets de son métabolisme dans le sang. La cellules s’alimente également grâce à de minuscules vaisseaux sanguins, les capillaires, dont le diamètre est d’environ 10 microns, soit sept à dix fois plus fin qu'un cheveux. Sans ces vaisseaux sanguins, la cellule meure par manque d’oxygène notamment. La cellule eucaryote dispose d’une structure interne fort complexe, marquée par le cloisonnement important de ses sous-structures. La cellule végétale ou animale a une dimension de l’ordre de 10-8 cm3, qui se réduit à 10-12 cm3 chez les bactéries. Lorsque le génome eucaryote fut différencié, les fonctions se sont réparties entre le noyau et le cytoplasme. Voyons cela en détails. La membrane plasmique ou membrane cellulaire sépare le cytoplasme (voir plus bas) du monde extérieur. Elle dispose de fonctions de reconnaissance du milieu, de zones d’ancrage pour les cellules voisines et de récepteurs pour les messages du monde extérieur. Le rôle essentiel de cette membrane plasmique est d’assurer une juste pression osmotique afin de faciliter les échanges d’eau et de substances. Cette paroi cellulaire doit également être en bon état et c’est le rôle des vésicules épineuses extraites de l’appareil de Golgi de retapisser régulièrement la membrane, c’est l’exocytose. Inversement, sa perméabilité lui permet d’incorporer de temps en temps des gouttelettes du milieu extérieur, c’est l’endocytose. Ces mécanismes permettent également de distribuer des substances à travers la cellule ou vers l’extérieur, transférant par fusion avec la membrane puis pincement, des molécules et parfois des virus, qui sont trop volumineux pour diffuser. On y reviendra. A voir : Molecular Art, David S. Goodsell La cellule eucaryote (tableau PDF)
Enfin, sur la surface lipidique externe de la membrane cellulaire se trouve des récepteurs constitués de protéines. Au nombre de plusieurs milliers dans une cellule animale, ces récepteurs sont érigés tous les 100 nm environ et permettent aux substances y compris pathogènes de venir s’accrocher à la paroi cellulaire. Ils permettent à la cellule de réagir avec le monde extérieur, en l’occurrence avec les hormones, les partenaires sexuels ou les ennemis comme les virus et de déclencher une réaction interne appropriée. Les relations avec les cellules voisines s’établissent d’ordinaire par un ancrage de la structure (desmosomes), une mise en commun partielle des couches lipidiques externes ou encore, comme chez les plantes, par un canal étroit qui traverse la paroi cellulosique (plasmodesme). La paroi extérieure de la plupart des cellules végétales et animales est constituée d’un complexe de polysaccharides. Chez les plantes supérieures il s’agit de la cellulose. Cette paroi assure la rigidité et la solidité de la cellule mais pose de nombreux problèmes techniques lors des échanges de substances. La membrane cellulaire renferme le cytoplasme, une matrice riche en eau dans laquelle baigne les organites cellulaires. Il ressemble plus à un gel visqueux qu’à une solution liquide mais il peut se liquéfier quand on l’agite fortement. Sa capacité de passer de l’état de gel à celui de liquide participe également au déplacement des constituants cellulaires. Le cytosol est la partie liquide du cytoplasme. Observé au microscope électronique, le gel cytoplasmique apparaît comme un entrecroisement tridimensionnel de minces fils riches en protéines. Ce maillage est le résidu d’une structure interne qui remonte à l’époque des éponges trabeculae, d’où son nom de réseau microtrabéculaire. Selon Christian de Duve, cette structure pourrait avoir un effet sur la cinétique de certaines réactions ou même conduire à la formation d’authentiques systèmes multienzymatiques dotés de propriétés spéciales. Les pores nucléaires. Le noyau est enveloppé dans une membrane formée d’un double feuillet de protéines percé de minuscules pores dont le passage ne fait que 9 nm de diamètre. Ces ouvertures permettent le transfert des substances nécessaires au métabolisme cellulaire. Seules les molécules comprises entre 10 et 60000 daltons[6] peuvent traverser ces pores, quitte à ce que leur passage soit facilité par des protéines de transport situées sur le pourtour et qui reconnaissent certaines substances. On estime que chaque pore voit sortir 100 molécules d’histones et entrer 3 mitochondries chaque minute dans la membrane cellulaire. Les cytomembranes enveloppent le noyau et la cellule toute entière, lui permettant d’atteindre une dimension très supérieure à celle de la cellule procaryote. Ces membranes sont constituées d’un bicouche lipidique de 5 à 6 nm d’épaisseur constitué de deux couches de molécules hydrocarbonées hydrophobes. L’une des faces est hydrophile et orientée vers l’extérieur de la membrane. Cette pellicule biomoléculaire contient diverses protéines qui sont enchâssées dans le bicouche, assurant les échanges de substances à travers la membrane ainsi que d‘autres fonctions. Sans ce bicouche il n’est pas exagéré d’affirmer que la vie telle que nous la connaissons n’existerait pas. Le cytosquelette à peine visible contribue à donner une forme et une certaine rigidité aux cellules. Sans sa présence toutes les cellules tendraient vers une forme sphérique. Il est constitué de polymères allongés formés de protéines double alpha et bêta tubuline agencés en cercles superposés. Ils forment les microtubules, sortes de petits cylindres rigides qui représentent l’ossature des cellules et qui participent également à la mitose. Le cytosquelette contient également des microfilaments qui peuvent être considérés comme les “muscles” de nos cellules et des filaments de taille intermédiaire dont le rôle reste inconnu. A
voir : Inner
Life Of A Cell, U.Harvard Les tissus, clicsTV88 - L'intérieur d'une cellule, MCN
Documents D.R., FSU/Microscopy/Hybrid Medical Animation. Dans le cytoplasme, à côté du noyau qui renferme l’ADN, se trouve les ribosomes, petites sphérules constituées de protéines ARN participant à l’élaboration des protéines. Autour du noyau se développe le réseau complexe du réticulum endoplasmique qui assure le transport des substances à l’intérieur de la cellule. Ses parois sont recouvertes de ribosomes et participent donc également à la synthèse des protéines. Celles-ci sont synthétisées à la surface du réticulum et passent dans la membrane endoplasmique où elles sont stockées avant d’être sécrétées à l’extérieur de la cellule. D’autres protéines sont synthétisées par les ribosomes mais ne sont pas attachées au réticulum. Elles ne participent pas aux sécrétions et restent donc des protéines de structure ou enzymes métaboliques. Les mitochondries présentes dans le cytoplasme font office de centrale énergétique de la cellule. Elles fournissent de l’énergie sous forme d'ATP (adénosine triphosphate, une molécule combinant l'adénine, le ribose et trois phosphates) aux réactions chimiques du métabolisme. Au cours d'une réaction d'hydrolyse qui dissocie l'eau des molécules d'ATP, de l'énergie est stoquée dans les liaisons anhydrides de la molécule des groupes phosphate que des enzymes (catalyseurs facilitant une réaction) peuvent ensuite facilement utiliser.
Comme les chloroplastes végétaux, les mitochondries sont des organites ancestrales (il s'agit d'anciens parasites ayant appris à vivre en symbiose dans les cellules) et autonomes : elles possèdent leur propre acide nucléique, l'ADN mitochondrial (ADNmt), dont elles ont plusieurs copies qu'elles utilisent pour synthétiser leurs propres enzymes et se reproduire elles-mêmes. La séquence de l'ADNmt est connue depuis 1981. Chez l'homme, le nombre de mitochondries présente dans chaque cellule est très variable, allant de 75 mitochondries dans le spermatozoïde à 100000 mitochondries dans l’ovocyte (ovule avant maturité). Les mitochondries se transmettent uniquement de la mère aux enfants. En effet, au cours de la reproduction (la méiose sur laquelle nous reviendrons), les séquences d’ADN portées par l'ADNmt et la région spécifique du chromosome Y (dont le gène SRY détermine notamment le sexe et la formation des testicules) ne recombinent pas et sont donc transmises sans modifications à la génération suivante. Cela signifie que l'ADNmt est transmis uniquement de la mère aux enfants tandis que le chromosome Y est uniquement transmis de père en fils. Ce sont ces particularités uniparentales et leur mutations au cours des âges qui permettent aux scientifiques d'utiliser ces deux marqueurs génétiques et principalement l'ADNmt comme "horloge moléculaire" pour retracer l'évolution des espèces et en particulier celle de l'homme. C’est du moins ce que l’on pensait encore récemment. En 2018, l’équipe de Shiyu Luo du centre médical de l’hôpital des enfants de Cincinnati, aux États-Unis publia une étude dans les "PNAS" montrant que dans certaines maladies dites mitochondriales, le patient est porteur d'un ADN mitochondrial hérité de... son grand-père maternel. Au cours de cette étude, les généticiens ont identifié neuf personnes (dont le grand-père lui-même), dont l’ADN mitochondrial provient à la fois de leur père et de leur mère. Selon les chercheurs, cette transmission partielle de l'ADN mitochondrial paternel reste très rare et explique la cause de la maladie car normalement cet ADN mitochondrial paternel aurait dû être éliminé après la fécondation grâce à une enzyme. Des mitochondries dans la circulation sanguine En 2020, Alain Thierry de l'INSERM et ses collègues ont rapporté dans le "FASEB Journal" la découverte de mitochondries en dehors des cellules, évoluant dans la circulation sanguine. On savait déjà que les mitochondries existent en dehors des cellules sous forme de fragments, encapsulées dans des microvésicules ou libérées par les plaquettes dans l'espace extracellulaire. Mais cette fois, les chercheurs ont découvert dans une préparation du sang avec des plaquettes au repos contenant des mitochondries fonctionnelles entières. L'une des questions est de savoir comment est-il possible que de telles organites n'aient pas été découvertes plus tôt ? Une structure de 500 nm (0.0005 mm) se voit tout de même à 1000x au microscope optique sans parler des capacités des microscopes électroniques mille fois plus puissants ! Sur base d'études antérieures, les chercheurs estiment que le plasma sanguin d'un individu en bonne santé contient jusqu'à 50000 fois plus d'ADN mitochondrial (de l'ADN confiné dans les mitochondries) que d'ADN nucléaire. Les analyses ont révélé que cet ADN mitochondrial présent dans la circulation sanguine est protégé par des structures hautement stables contenant des génomes mitochondriaux entiers de plus de 0.22 µm portant des protéines membranaires mitochondriales spécifiques.
Les chercheurs ont également découvert que des cellules normales et des cellules tumorales en culture sont capables de sécréter de l'ADN mitochondrial extracellulaire. Une analyse de la consommation d'oxygène a révélé que ces mitochondries extracellulaires sont intactes et fonctionnelles. Quant à savoir quel est le rôle de ces mitochondries extracellulaires, les chercheurs pensent qu'elles sont impliquées dans les réponses immunitaires et inflammatoires de l'organisme. A ce titre, elles pourraient intervenir dans de nombreux processus physiologiques et/ou pathologiques lors de la communication intercellulaire. Selon les chercheurs, "Dans le transfert intercellulaire, cette découverte pourrait élargir considérablement le champ de la biologie de la communication cellule-cellule. De nouvelles étapes devraient être développées pour étudier le rôle potentiel des mitochondries en tant qu'organelles de signalisation en dehors de la cellule et pour déterminer si ces unités de circulation pourraient être pertinentes pour les primo détection et pronostic de diverses maladies." Les lysosomes sont des sortes de sphérules opaques et sans structure interne contenant des vésicules chargées d’enzymes digestives capables de détruire les bactéries et d’autres agents toxiques. Si elles venaient à s'ouvrir dans le cytoplasme, leur acide détruirait la cellule, d’où leur surnom de “sacs-suicides” L'appareil de Golgi est constitué d’un empilement de saccules bourgeonnantes, d’apparence similaire au réticulum endoplasmique dont il peut être un prolongement. Il participe à la formation des lysosomes et des sécrétions en libérant de petites vésicules. Les protéasomes sont des complexes enzymatiques multiprotéiques formant de petites structures cylindiques creuses de quelque 15 nm. Ils sont associés au réticulum endoplasmique et assurent le recyclage des déchets cellulaires, dégradant les protéines en peptides (des chaînes formées de 6 à 9 acides aminés). Les peroxysomes caractérisés par une membrane contenant de gros cristaux caractéristiques dont le rôle, relique de l’évolution, est d’éviter l’oxydation des molécules. Les centrioles qu’on retrouve par paire dans toutes les cellules eucaryotes sauf chez les végétaux supérieurs. Il s’agit de structures cylindriques composées de microtubules courtes entourées d’un nuage de substances dont la fonction exacte est inconnue. Le rôle des centrioles est de contrôler l’arrangement des microtubules dans le cytosquelette de la cellule. Ils participent également aux mouvements des chromosomes pendant la mitose. Citons enfin les vacuoles chez les plantes qui se mêlent à diverses vésicules et organites. La matrice extracellulaire Les cellules sont maintenues ensemble par des protéines secrétées par l’expression des acides aminés présents dans toutes les cellules. Si on retire les cellules du corps, les organes perdent leur structure et leur fonction et forment une masse gélatineuse informe; ils ne sont donc plus vivants. Ainsi, si vous “lessivez” un rein par exemple et lui retirez toutes ses cellules, vous obtenez un sorte de petit ballon blanc opaque, ce qu’on appelle une matrice extracellulaire. Cet objet représente la structure de soutien du rein. Il en de même pour les poumons, le foi ou le coeur comme de tous les autres organes. Prochain chapitre La reproduction : mitose et méiose
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