Fiche explicative de la leçon: Structure de la cellule eucaryote Biologie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier les organites clés dans une cellule eucaryote et à décrire leurs fonctions.

Chaque plante, animal, champignon et protiste de la planète est constitué d’au moins une cellule eucaryote. Bien que les cellules de ces organismes soient toutes très différentes, la majorité d’entre elles ont en commun certaines caractéristiques de base. Les petites structures présentes dans les cellules (structures subcellulaires) qui remplissent des fonctions spécifiques sont appelées organites. Les types et l’abondance d’organites dans une cellule sont le premier indice quant à son type cellulaire et ce qu’elle peut faire.

Les cellules peuvent être classées en deux grands groupes : eucaryotes et procaryotes. La figure 1 ci-dessous montre un schéma simple de chacune.

La caractéristique la plus remarquable de la cellule eucaryote est le noyau. La présence d’un noyau est la principale distinction entre les cellules procaryotes, telles que les bactéries, et les cellules eucaryotes, telles que les milliers de milliards de cellules qui composent votre corps. En plus de ce noyau, vos cellules possèdent beaucoup d’autres structures qui ont d’autres rôles importants. Nous appelons les cellules qui composent notre corps des cellules animales. Voyons les différents organites présents dans une cellule animale typique, comme le montre la figure 2.

La membrane plasmique (aussi dite cellulaire) est la couche externe de la cellule. Elle forme la limite qui sépare la cellule de son environnement. La membrane plasmique se compose de deux feuillets de molécules appelées phospholipides ; c’est pourquoi nous appelons ce type de membrane une bicouche phospholipidique puisqu’il y a deux couches de molécules (bi- signifie deux). Nous pouvons également voir différents types d’autres molécules comme les protéines intégrées dans la membrane plasmique qui jouent également un rôle essentiel dans la fonction principale de la membrane. La structure de la membrane plasmique est représentée par la figure 3. Cette bicouche lipidique a une perméabilité sélective, ce qui signifie que certains composés peuvent passer facilement alors que d’autres pas.

Le cytoplasme est le liquide gélatineux qui remplit la cellule. Il est composé principalement d’eau, de protéines, d’ions et de nutriments. Plutôt que d’être un organite lui-même, le cytoplasme est le liquide dans lequel tous les organites flottent. Bien que l’on imagine souvent le cytoplasme comme étant inerte et passif, de nombreuses activités cellulaires et d’importantes réactions chimiques ont lieu dans le cytoplasme. Le volume du cytoplasme aide également à donner sa structure à la cellule. Le cytoplasme est comme l’air à l’intérieur d’un ballon : il remplit la cellule pour lui donner une forme tridimensionnelle. Le cytoplasme et le noyau de la cellule sont parfois collectivement appelés protoplasme.

Le cytosquelette est un réseau de protéines qui s’étend à travers le cytoplasme. Le terme cyto- signifie « cellule », donc le cytosquelette signifie littéralement « squelette de la cellule ». Le cytosquelette est composé de microfilaments, de filaments intermédiaires et de microtubules. Ces protéines maintiennent les autres organites en place afin qu’ils ne flottent pas au hasard dans le cytoplasme. La figure 4 en donne un aperçu simplifié. Le cytosquelette forme également comme des pistes que les organites peuvent emprunter pour se déplacer d’un endroit à un autre. C’est le cytosquelette qui permet à certaines cellules, par exemple celles d’espèces appartenant à un genre d’eucaryotes unicellulaires appelés Amoeba, de se déplacer seules. Il joue également un rôle important dans la division cellulaire.

Le noyau contient et protège le matériel génétique, ou ADN, qui se trouve dans de longs brins enroulés autour de protéines. Ces molécules d’ADN et leurs protéines associées sont appelées chromatine. Le noyau contrôle également l’expression de cet ADN, et contrôle ainsi les activités de la cellule. Un schéma de base du noyau est donné à la figure 5.

Le noyau est entouré par une double membrane, ce qui signifie qu’il y a en fait deux bicouches lipidiques au lieu d’une seule, comme vous pouvez le voir sur la figure 5.

La membrane nucléaire, parfois appelée enveloppe nucléaire, a des ouvertures spéciales appelées pores nucléaires. Ces pores nucléaires laissent passer certaines grosses molécules, comme l’ARN et les protéines, mais pas la chromatine. Le noyau contient son propre milieu de remplissage spécial appelé nucléoplasme, qui est très similaire au cytoplasme. Il possède également un assemblage de protéines structurelles appelé matrice nucléaire, qui est très similaire au cytosquelette. Au centre du noyau se trouve une zone dense appelée nucléole. Ce nucléole constitue l’ARNr, ou ARN ribosomique, qui est le composant majeur des ribosomes.

Exemple 1: Identifier les parties du noyau sur une micrographie électronique

La micrographie ci-dessous montre une cellule vue au microscope électronique à transmission. Un noyau circulaire est visible.

Quel élément parmi les suivants ne fait pas partie de la structure d’un noyau ? 

1. l’enveloppe nucléaire
2. le nucléole
3. le nucléoplasme
4. les pores nucléaires
5. les crêtes nucléaires

Réponse

Le noyau est la particularité des cellules eucaryotes. Il les distingue des cellules procaryotes, qui ne possèdent pas de noyau.

La fonction principale du noyau est de stocker et de protéger l’ADN, qui est enroulé autour de protéines pour former de longs brins appelés chromatine. Le noyau est entouré par une enveloppe nucléaire, qui est une membrane double, ce qui signifie qu’elle possède deux bicouches lipidiques au lieu d’une seule. Cette double membrane possède des ouvertures spéciales appelées pores nucléaires, qui permettent à certaines molécules de passer facilement. Au centre du noyau se trouve une zone dense appelée nucléole, qui est responsable de la production de l’ARNr, ou ARN ribosomique, dont les ribosomes sont principalement constitués. Le noyau est rempli d’une substance liquide riche appelée nucléoplasme et comprend un réseau de protéines appelé matrice nucléaire.

Le terme crêtes ou cristae fait référence aux plis dans une membrane lipidique qui créent des compartiments plus petits, comme ceux que nous voyons dans les mitochondries. Le noyau ne possède pas de crêtes.

Grâce à ces informations, nous pouvons conclure que la structure qui ne fait pas partie du noyau sont les crêtes nucléaires.

Les ribosomes sont des structures minuscules responsables de la synthèse de protéines, qui sont soit libres dans le cytoplasme, soit attachés au réticulum endoplasmique rugueux. Les ribosomes traduisent l’ARN messager (ARNm), qui porte le code génétique de l’ADN du noyau, en une chaîne d’acides aminés appelée polypeptide. Ce polypeptide doit généralement être modifié par d’autres organites, tels que le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi, pour devenir une protéine fonctionnelle, par exemple une enzyme. Les ribosomes se composent de deux sous-unités ribosomiques, une grande et une petite, comme le montre la figure 6. Ces sous-unités sont constituées d’ARNr (ARN ribosomique) fabriqué dans le noyau, ainsi que de protéines.

Les ribosomes ne sont pas entourés par une bicouche lipidique, ce sont donc des organites non délimités par une membrane. Certains scientifiques considèrent même qu’ils ne peuvent pas être considérés comme des organites.

Contrairement à d’autres organites délimités par une membrane, les ribosomes sont présents dans les cellules eucaryotes et procaryotes. Les ribosomes des cellules eucaryotes sont plus grands que ceux des cellules procaryotes. Le S est l’unité utilisée pour mesurer les ribosomes, correspondant à leur coefficient de sédimentation. Les ribosomes des eucaryotes ont un coefficient de sédimentation de 80 S, alors que les ribosomes des procaryotes ont un coefficient de sédimentation de 70 S.

Le réticulum endoplasmique, souvent abrégé RE, est un réseau interconnecté de membranes repliées présent dans la cellule eucaryote. Le RE joue un rôle dans la formation et le transport des protéines et des lipides et est divisé en deux sous-types, comme le montre la figure 7 : rugueux (RER) et lisse (REL).

De nombreux ribosomes sont attachés à la surface externe du réticulum endoplasmique rugueux, nous pouvons donc dire qu’il joue un rôle dans la synthèse des protéines. C’est aussi ce qui donne au RER sa forme irrégulière et son nom (« rugueux »). Les passages du réticulum endoplasmique rugueux ont généralement une forme plus plate et sont attachés à la membrane externe du noyau. La fonction principale du RER est de replier les protéines dans leur forme finale.

Le réticulum endoplasmique lisse ne possède pas de ribosomes à sa surface, c’est pourquoi il est appelé lisse. Ses passages ont généralement une forme plus tubulaire et se trouvent plus loin du noyau. Le REL joue principalement un rôle dans la synthèse des lipides et est également impliqué dans la transformation des toxines en composés moins toxiques qui peuvent ensuite être excrétés.

L’appareil de Golgi est une série de repliements membranaires en forme de sacs plats (saccules membranaires), comme le montre la figure 8. Il sert à emballer les bonnes combinaisons de protéines, de lipides et autres composés chimiques pour les distribuer aux zones de la cellule qui en ont besoin. C’est pour cette raison que l’appareil de Golgi est parfois appelé le bureau de poste de la cellule. Dans les cellules végétales, on retrouve de plus petits ensembles de vésicules de type Golgi appelés les dictyosomes. La figure 8 ci-dessous montre comment le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi interagissent dans une cellule animale typique.

Les protéines et les lipides passent du réticulum endoplasmique à l’appareil de Golgi dans des vésicules de transport. Une vésicule est un petit paquet de matériaux entouré d’une membrane, situé à l’intérieur de la cellule. Ces vésicules fusionnent et se déplacent à travers différentes couches de l’appareil de Golgi d’une extrémité à l’autre. Enfin, elles forment de nouvelles vésicules de sécrétion pour livrer les matériaux hors de la cellule par exocytose, ou pour former des lysosomes.

Les lysosomes sont des vésicules spécialisées, délimitées par des membranes, formées par l’appareil de Golgi. Ils servent à dégrader et recycler les matériaux cellulaires. Un lysosome peut contenir plus de 60 types différents d’enzymes digestives, et le liquide interne est généralement assez acide. Les enzymes et cet acide interagissent pour dégrader différents composés en composants qui peuvent ensuite être utilisés à nouveau par la cellule.

Les mitochondries sont le principal site de la respiration cellulaire dans la cellule eucaryote. Elles sont responsables de la conversion du glucose en énergie cellulaire utilisable sous forme d’ATP. C’est pour cette raison qu’on les appelle parfois la « centrale énergétique » de la cellule. Chaque mitochondrie possède deux couches membranaires, comme vous pouvez le voir sur la figure 9. Elle possède une membrane externe lisse et une membrane interne repliée. Les plis de la membrane interne sont appelés crêtes et augmentent la surface disponible pour les réactions de respiration. L’espace à l’intérieur de la membrane interne repliée est appelé matrice.

La membrane plasmique (cellulaire), le cytoplasme, le cytosquelette, le noyau, les réticulums endoplasmiques rugueux et lisse, l’appareil de Golgi et les mitochondries sont présents dans la plupart des cellules eucaryotes. Cela inclut les cellules animales et végétales.

Cependant, les plantes sont différentes des animaux. Elles ont leur propres particularités. Par exemple, elles fabriquent leurs propres nutriments et sont immobiles. Cela signifie que les cellules végétales ont des caractéristiques différentes de celles des cellules animales, qui correspondent à ces particularités.

Étudions quelques organites présents dans les cellules végétales, mais pas dans les cellules animales.

La paroi cellulaire est une structure rigide entourant la membrane plasmique, comme le montre la figure 10. C’est une couche externe solide qui donne sa forme à la cellule végétale. La paroi des cellules végétales est principalement constituée d’un glucide appelé cellulose. Elle fournit également un support structurel pour la plante. En effet, comme les plantes sont des organismes immobiles et sans squelettes (contrairement à certains animaux), leurs parois cellulaires rigides les maintiennent verticales et leur permettent de pointer leurs feuilles vers le soleil.

Les plastes sont présents dans les cellules végétales, mais pas dans les cellules animales. Ils possèdent une double membrane, donc ils sont entourés de deux bicouches lipidiques au lieu d’une. Il y a trois principaux types de plastes, classés selon le type de pigments qu’ils possèdent : les chromoplastes, les leucoplastes et les chloroplastes. Les chromoplastes sont des plastes qui fabriquent et stockent des pigments, tels que les pigments rouges, jaunes et oranges qui donnent aux fruits et aux fleurs leurs couleurs vives. Les leucoplastes sont des plastes blancs ou incolores qui ne contiennent pas de pigments et qui stockent des matières comme l’amidon et la graisse.

Les chloroplastes sont des plastes qui contiennent le pigment vert appelé chlorophylle. Ils sont le site de la photosynthèse, au cours de laquelle les cellules végétales utilisent l’énergie lumineuse pour convertir le dioxyde de carbone et l’eau en glucose et en oxygène. Ce glucose est ensuite utilisé lors de la respiration cellulaire par les mitochondries.

Les chloroplastes, représentés sur la figure 11, ont une membrane externe et une membrane interne. Le liquide à l’intérieur de la membrane interne est appelé stroma. Dans le stroma se trouvent des sacs empilés en forme de pièces. Ces sacs sont remplis de chlorophylle et sont appelés les thylakoïdes. Ces piles de thylakoïdes sont appelées grana (singulier : granum).

Les cellules végétales possèdent une grande vacuole centrale. Cette vacuole est considérée comme l’une des particularité des cellules végétales, identifiable au microscope. Elle stocke l’eau et certains autres matériaux dans un mélange que l’on appelle liquide ou suc vacuolaire (ou parfois encore sève cellulaire). Elle aide à donner à la cellule sa forme en maintenant la pression contre l’intérieur de la paroi cellulaire. Elle remplit également la cellule en poussant le contenu du cytoplasme vers l’extérieur, ce qui aide les chloroplastes à accéder à la lumière du soleil dont ils ont besoin pour effectuer la photosynthèse. Les cellules animales ont aussi des vacuoles, mais elles sont plus petites et nombreuses, et sont généralement impliquées dans les processus de transport métabolique ou cellulaire.

Il y a aussi des cas d’organites présents dans les cellules animales mais pas dans les cellules végétales. Par exemple, les centrioles sont des organites non délimités par une membrane se trouvant dans une zone près du noyau appelée le centrosome, qui n’est pas présente chez les cellules végétales. Nous pouvons voir une coupe longitudinale et coupe transversale d’un centriole de cellule animale typique sur la figure 12.

Chaque centriole est composé de neuf groupes de microtubules disposés par trois, comme vous pouvez le voir sur la figure 12. Il y a des fibres de connexion entre chacun des neuf triplets de microtubules.

Pendant la division cellulaire, des filaments appelés fibres du fuseau mitotique s’étendent à partir des centrioles et aident à tirer le matériel génétique répliqué vers les extrémités opposées de la cellule. Curieusement, les cellules nerveuses matures sont un exemple de cellules animales qui ne contiennent pas de centrosomes.

Les organites cellulaires répondent aux besoins de la cellule et déterminent également ce que la cellule peut faire. Bien que toutes les cellules eucaryotes possèdent des mitochondries, les cellules animales qui consomment plus d’énergie, telles que les cellules musculaires, ont plus de mitochondries que celles qui en ont moins besoin. Chez les plantes, les cellules qui ne sont pas exposées à la lumière, telles que les racines, ne possèdent pas de chloroplastes. On peut en dire beaucoup sur la vie d’une cellule en observant de près ses organites. Le tableau 1 résume brièvement les types de cellules contenant de grandes quantités de certains organites.

Le schéma ci-dessous résume les types de structures cellulaires dont nous avons parlé dans cette fiche explicative.

Passons maintenant en revue ce que nous avons appris sur la structure des cellules eucaryotes dans cette fiche explicative.