Introduction :
La cellule, plus petite unité structurale et fonctionnelle du vivant, que vous avez étudiée en 2nde, constitue un niveau d’organisation supérieur à celui de la molécule. En effet, il s’agit d’un assemblage moléculaire complexe, interagissant avec son milieu et capable de se multiplier et de réaliser son propre métabolisme. Si cela vous apparait comme une évidence aujourd’hui, cela ne l’a pas toujours été. On vous propose donc d’étudier à travers ce chapitre, le lien entre molécule et cellule dans sa conception historique, mais également à travers un exemple, l’organisation et la dynamique de la membrane plasmique.
Photo de couverture : d’après https://fineartamerica.com/featured/plant-cell-biophoto-associates.html
Problèmes : Comment la théorie cellulaire s’est-elle construite et permet-elle de mieux comprendre le vivant ? Comment la membrane est elle organisée et devient une véritable structure moléculaire dynamique ?
I- La naissance de la théorie cellulaire et solidité du concept
A- Historique
Si la paternité du microscope n’est pas certaine avec Zaccharias Jansen en 1595, en revanche l’origine du mot cellule vient bien de l’observation du liège d’une plante par Robert Hooke en1665. Mais ce sont les observations de Théodor Schwann en 1839 qui vont permettre la naissance de la théorie cellulaire et du premier principe : « Tous les êtres vivants sont constitués de cellules ». Très vite derrière, en 1855, Rudolph Vircow montre que « chaque cellule est issue d’une autre cellule » etLouis Pasteur en 1861 réfute définitivement la génération spontanée.
Grâce à l’apparition du microscope électronique, l’aspect fonctionnel de la cellule devient évident par la compréhension de son organisation interne et le niveau moléculaire est atteint.
Les techniques n’auront de cesse à s’améliorer après, jusqu’au XXIe siècle pour démontrer le côté fonctionnel grâce au niveau moléculaire.
Document 1 : La naissance et confirmation de la théorie cellulaire (frise chronologique vue en TP)
B- L’ordre de grandeur
C’est par des outils toujours plus puissants ou plus ciblés que les étapes vers des dimensions toujours plus petites ont été franchies. Pour bien comprendre le fonctionnement cellulaire, il est important de comprendre les différents niveaux d’organisation. Une cellule eucaryote mesure entre 40 et 100 µm. Une cellule procaryote (bactéries ou archées) mesure environ 2 µm, tout comme certains organites clés de la cellule eucaryotes comme la mitochondrie. Les virus ont une taille inférieure, d’environ 100 nm et représentent des éléments mobiles injectant un programme dans les cellules vivantes, en dessous de cette taille on trouve le niveau moléculaire, glucides, lipides, protéines et acides nucléiques familles des molécules du vivant dans la taille est comprise entre quelques nm et pouvant atteindre de grande dimension comme l’ADN visible en microscopie.
Bien comprendre le fonctionnement du vivant, c’est aussi bien appréhender ses différentes échelles d’organisation.
Document 2 : les échelles d’organisation de la cellule.
C- Des techniques de plus en plus pointues
Au XXe siècle puis au XXIe siècle les outils de plus en plus perfectionné et l’avènement de la bioinformatique ont permis de mieux cerner les mécanismes moléculaires et les différents liens entre les organites cellulaires ou même entre cellules d’un même organisme ou d’organisme différents. L’utilisation de marqueurs fluorescents (Brainbow) en est un exemple, puisqu’il permet par exemple d’étiqueter les neurones au sein du cerveau et de mieux percevoir les réseaux neuronaux.
II- La membrane plasmique, structure moléculaire dynamique.
L’exemple de niveau moléculaire vu en première est l’organisation de la membrane plasmique.
Rappels: Si son observation au Microscope ne consiste qu’à la vision d’un simple trait, rappelons d’abord que son rôle permet à la fois de délimiter la cellule, de permettre un système de reconnaissance et lutte contre des agressions, de contrôler les échanges avec l’extérieur et d’assurer des moyens de communication avec les autres cellules. Ainsi, cette limite est loin d’être aussi simple qu’il n’y parait.
A- Organisation de la membrane.
1- Observation microscopique :
La membrane plasmique mesure 7 nm d’épaisseur et constitue une limite entre le milieu extérieur de la cellule, et un milieu intérieur appelé cytoplasme.
Quand on regarde au microscope optique ou au microscope électronique à de faibles grossissements
On observe un simple trait.
Document 3 : Cellule buccale observée au microscope optique dont la taille est à peu près de 50 µm
Un observation à fort grossissement en microscopie électronique laisse apercevoir 3 zones : 2 sombres et une claire.
Document 4 : Micrographie électronique à transmission d’une membrane cellulaire présentant une structure sombre / claire / sombre; Grossissement x 250 000.
2- Composition et organisation :
La membrane plasmique est principalement composée de :
- Lipides : phospholipides, cholestérol (plus grande part de la membrane)
- Protéines : protéines transmembranaires ou périphériques
- Glucides : revêtement extérieur permettant la reconnaissance et souvent associés à des protéines
Ce sont les phospholipides qui donnent la structure de la membrane. Elle s’organise en bicouche et les autres composés (cholestérol et protéines) viennent s’enchâsser dans cette dernière. Du coté extracellulaire, un revêtement de courts glucides assure un marquage de la cellule, propre à chaque individu.
Document 5 : Modèle de la membrane plasmique en bicouche
B- Propriétés et dynamique
L’agencement de molécules diverses phospholipides, cholestérol, protéines et glucides lui donne une allure de mosaïque. Cette grande matrice a ainsi 2 propriétés importantes pour la cellule : elle constitue une matrice flexible tout en constituant une barrière peu perméable. Enfin, le fait d’être constituée de phospholipides confère une propriété de fluidité à la membrane. Les molécules sont capable de bouger et de se déplacer : on parle de mosaïque fluide.
Le fait que le phospholipide soit amphiphile est responsable de cette disposition en bicouche. En effet, un phospholipide possède à la fois une partie hydrophile, appelée la tête et une partie hydrophobe appelée la queue.
Document 5 : Représentation des phospholipides et propriétés moléculaires
Ainsi la membrane s’organise obligatoirement en bicouche pour présenter du coté extérieur et cytoplasmique la tête hydrophile (au contact de l’eau !).
Définitions :
Amphiphile : Se dit de certaines molécules qui ont une moitié hydrophile et une moitié hydrophobe.
Hydrophile : Qui a de l’affinité (qui aime) pour l’eau.
Hydrophobe : Qui évite l’eau.
Conclusion
Si la théorie cellulaire parait aujourd’hui évidente, elle s’est construite au fur et à mesure de découvertes ou d’observations sur 3 siècles. Les inventeurs (=découvreurs) ont chacun apporté leur pierre à l’édifice permettant d’aboutir à une définition solide du terme cellule. Ainsi, la cellule est la plus petite unité structurale et fonctionnelle du vivant.
La membrane plasmique délimite la cellule. Elle représente un simple trait en microscopie optique, et pourtant montre une constitution moléculaire qui lui confère ses propriétés et son efficacité à l’échelle de la cellule. En plus de délimiter, elle protège, elle assure les échanges et grâce aux phospholipides entre autre, elle est déformable et fluide.
