محاضرات لطلبة البيولوجيا سنة أولى lmd ‏

هذه عبارة عن مجموعة من المحاضرات المتعلقة بمقياس Biologie cellulaire

Organisation cellulaire

Contrairement à ce que l'on
pense, les cellules ne sont pas toutes construites sur le même schéma.
Bien sûr, elles se ressemblent, elles sont toute constitué d'un
cytoplasme entouré d'une membrane, contiennent un génome à base d'ADN
et les même règles physiologiques peuvent dans la plupart des cas,
s'appliquer à toutes. Mais au delà de ces ressemblances, il existe des
différences fondamentales. Il ne s'agit pas de simples différences
morphologique, mais des architectures cellulaires fondamentalement
différentes. Ces différences permettent de différencier deux types de
base d'organisation cellulaires et trois grandes branches dans l'arbre
généalogique de la vie. Ces types sont disjoints, il n'y a aucun
intermédiaires entre eux.
Les domaines du vivant

Les scientifiques du passé
avaient divisé le monde en 3 règnes : animal, végetal et minéral. Cette
description, basée sur ce qui était visible à l'oeil nu était inexacte
parce qu'elle oubliait tout un pan de la vie tout en lui reliant le
monde non-vivant. La découverte des cellules au XVIIeme sciecle puis
celle des organismes unicellulaires ne va pas modifier cet état de
chose; en se basant sur l'autotrophie et l'hétérotrophie de ces
organismes unicellulaires, ils seront répartis entre végétaux et
animaux. C'est ainsi que les bactéries sont classées dans les végétaux.
En 1866, Haeckel estime que cette répartition est inadaptée, il
regroupe les unicellulaires dans un nouveau regne, les protistes. La
decouverte du microscope électronique au debut du sciecle va permettre
de découvrir la différence fondamentale entre les bactéries et les
autres cellules. Cela abouti en 1938 à la séparation du règne des
monères (ou procaryote) depuis les protistes par Copeland. En 1969,
Whittaker sépare les champignon des végétaux et crée le régne des
fongidés. 9 ans plus tard, avec Margulis, il effectue un ultime
remaniement de la classification en séparant les algues
pluricellulaires des végétaux et en les regroupant avec les protistes.
L'ensemble est renommé proctociste.
Dans les années 70, le
monde vivant comportait donc deux grands types cellulaires, les
procaryotes et les eucaryotes, le second ayant connu une évolution
variée lui ayant permis de générer 4 régnes alors que les procaryotes
semblaient moins diversifiés. Plus récemment, les progrés de la
biologie moléculaire vont permettre d'effectuer une nouvelle
découverte. Les procaryotes peuvent être divisée en deux groupes
cellulaires aussi fondamentalement différents que le sont les bactéries
des eucaryotes : les eubactéries et les archéobactéries. Cette
decouverte abouti à la proposition par Woese en 1990 d'une division du
monde vivant en 3 domaines basés sur la structure cellulaire:
eubactéries, archéobactéries et eucaryotes.
Les eucaryotes

Les Eucaryotes sont les
cellules qui constituent tout l'environnement que nous voyons, les
plantes, les animaux et champignons ainsi que divers espèces
unicellulaires tels que les amibes ou les paramécies. Ils sont
caractérisées par la présence d'organites, sortes d'organes
intracellulaire. Parmi eux, un organite est toujours présent : le
noyau, qui contient l'information génétique de la cellule. Il est
d'ailleurs à l'origine du nom de ce type (eucaryote = vrai noyau en
latin). La structure génétique de ces cellules est constituée de
plusieurs brins linéaire d'ADN (les chromosomes) et par des gènes en
"mosaique", c'est à dire que les zones codantes du gène sont découpées
en morceaux qui sont séparés par des zones non codantes.
Les originalités des eucaryotes ne se limitent pas à des considérations
génétiques. Celles-ci sont souvent de grande taille, ce qui les
fragilise et diminue leur surface d'échange avec le milieu extérieur.
Mais surtout, elles vont développer un cytosquelette, sorte de
charpente intracellulaire mobile qui va permettre à la fois de se
rigidifier (et de compenser leur fragilité) et de se déformer de façon
contrôlée, phénomène qui est à l'origine du mouvement des animaux, mais
aussi des cellules phagocytaire et qui est donc directement responsable
de la grande variété des formes animales qui existent.
Les procaryotes

Par opposition, les
procaryotes sont les cellules sans noyau. Ces cellules sont de petites
tailles et sans organites intracellulaires. Leur matériel est constitué
d'un unique chromosome circulaire et de divers morceaux d'ADN également
circulaires mais beaucoup plus petit et en nombres variables (meme
entre les individus d'une meme espèce, voire à des moments différents
de la vie d'un meme individu) , les plasmides. En effet, alors que le
chromosome se duplique de façon synchronisée avec la division
cellulaire, les plasmides se repliquent de façon indépendante et sont
répartis au hasard entre les deux cellules filles lors d'une division.
De plus, certains plasmides ont la capacité de s'intégrer
provisoirement au chromosome. Enfin, ces cellules ne contiennent pas de
cytosquelette. Elles sont en général rigidifiées par un revetement
externe et sont indeformables sauf chez les plus petites espèces). La
structure des gènes différe également de ceux des eucaryotes, chez les
procaryotes, ils sont continus et plusieurs d'entre eux sont regroupés
au sein d'un meme ensemble fonctionnel, l'operon.
Eubactéries et archéobactéries

Pendant longtemps,
procaryote a été synonyme de bactérie, jusqu'à la découverte en 1990
d'un type cellulaire nouveau, de toute évidence procaryote, mais qui ne
sont pas des bactéries. Les bactéries ont donc été renommées
eubactéries (vrai bactéries) et ce nouveau type cellulaire
archéobactérie. Ces dernières partagent avec les eubactéries la
possession d'un chromosome circulaire unique et l'absence de
cytosquelette. Mais elles comportent aussi des caractères eucaoryotes
tels que les gènes en mosaique et une structure génétique semblable.
Ces caractèristiques intermédiaires les ont fait considerer comme les
ancetres des deux groupes. Toutefois, elles disposent de particularités
originales, leur membrane notamment est constitituée de lipides
retrouvés nulle part ailleurs dans le monde vivant. La principale
caractéristique des archeobactéries, à l'origine de leur popularité,
est leur capacité a survivre dans les milieux extrèmes : eaux trés
acides (pH < 1) ou très salées (mer morte) ou très chaude ( >
120°C) ou très froides ( < 0°C), bien que la plupart d'entre elles
vivent dans des milieu plus cléments.
Les procaryotes


Aspect général des procaryotes

Selon leur aspect les
bactéries peuvent être regroupées en plusieurs catégories. Ces
catégories sont purement descriptives et ont peu à voir avec la
phylogénie de ce groupe.
Les cocci

Les cocci sont des
bactéries rondes. Ces bactéries peuvent vivre de façon isolée mais
elles sont en général regroupées en structures pseudo-pluricellulaires.
A chaque division, les cellules filles restent collées. Selon les cas,
on peut obtenir trois types de structures :
Les diplocoques : les cellules sont regroupées deux par deux.
Les streptocoques : les cellules forment une chaine linéaire.
Les staphylocoques : les cellules forment une petite grappe.
Les bacilles

Les bacilles sont des
bactéries allongées. Elles vivent en général solitaires mais peuvent à
l'occasion se regrouper en structure pseudo-pluricellulaires. Par leur
morphologie on distingue deux groupes :
Les bacilles sont des cellules allongées droites.
Les vibrions sont des cellules incurvées.
Les spirilles

Les spirilles sont les plus étranges des bactéries. Elles ont en effet une forme hélicoidale.








Structure interne des procaryotes

Les membranes







Les bactéries possèdent toutes une membrane plasmique qui les entoure qui est constituée comme toutes les membranes biologiques
d'une bicouche lipidique.
Elles ne possèdent cependant pas de membranes intra-cytoplasmiques
comme les eucaryotes et les fonctions dévolues à ces dernières sont
toutes assumées par la membrane plasmique : membranes nucléaire, du
réticulum et même des organites.
La membrane plasmique est entourée d'une paroi pectocellulosique,
perméable mais néanmoins très rigide qui lui permet de résister à des
pressions osmotiques du cytoplasme très élevée, supérieure à 5
atmosphères, sans exploser.
Certaines bactéries possèdent une seconde biomembrane qui entoure la
paroi. Cette membrane permet de distinguer les bactéries Gram - (du nom
du biologiste qui a mis le test au point) qui la possède des Gram + qui
ne l'ont pas. Cette biomembrane est constituée comme la membrane
plasmique d'une bicouche lipidique, mais les acides gras et les
protéines constitutives en sont très différentes.
Le matériel génétique

Le matériel génétique est
constitué d'un unique chromosome circulaire qui baigne dans le
cytoplasme. Il est replié en longues boucles dont la base est reliée à
un ensemble protéique, le core. Ce dernier est lui même fixé à la
membrane plasmique et empêche donc l'ADN de se déplacer librement dans
le cytoplasme.
La duplication du chromosome est reliée à la multiplication cellulaire,
c'est à dire qu'il ne se duplique que quand la cellule se divise et
inversement. Dans les deux cellules filles, le chromosome est identique.
A côté de ce chromosome, il
existe de petits éléments d'ADN circulaire en nombres variables : les
plasmides. Contrairement au chromosome, ces plasmides ne sont pas
indispensables à la vie de la cellule. Ils portent toutefois quelques
gènes intéressants, comme une résistance aux antibiotiques. Ils peuvent
aussi dans certains cas s'integrer de façon réversible au chromosome.
La multiplication des plasmides est indépendante de celle de la cellule
et du chromosome. Ils peuvent se dupliquer sans division cellulaire et
en cas de division ils sont répartis au hasard entre les deux cellules
filles.
Le cytoplasme

Le cytoplasme des bactéries
remplit toutes les fonctions remplies par le cytoplasme des eucaryotes,
mais aussi par le nucléoplasme (milieu intranucléaire) ou le stroma des
organites. Comme chez les eucaryotes, les principales réactions du
métabolisme et la synthèse des protéines intracellulaire s'y déroulent.
Mais il assure aussi la duplication de l'ADN et la synthèse d'ARN
(fonctions du noyau), la synthèse des protéines extracellulaires
(fonction du réticulum endoplasmique granuleux), la respiration
(fonction des mitochondries), la photosynthèse (fonction des
chloroplastes), etc...
Ce mélange des fonctions dans un seul endroit fait que des évènements
disjoints dans le temps et l'espace chez les eucaryotes sont simultanée
chez les procaryotes. Il en est ainsi de la synthèse des protéine qui
débute alors même que la synthèse de l'ARN messager correspondant n'est
pas encore totalement terminée.