Cours : Introduction a la biologie cellulaire

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Introduction



La biologie cellulaire, ou cytologie, est la science qui étudie les unités structurales et fonctionnelles communes à l'organisation de tous les êtres vivants. Une cellule représente l'unité fondamentale de tout être vivant, c'est la plus petite portion de matière vivante qui peut s'isoler et se reproduire.

Schéma d'une cellule animale eucaryote
Schéma global d'une cellule animale eucaryote


La biologie cellulaire



Les premiers microorganismes furent vus et décris par Antonie van Leeuwenhoek (1632 - 1723), un marchand de draps du Pays-Bas. C'est sans doute en exerçant son métier qu'il cherche à améliorer le pouvoir grossissant des loupes, il créa un microscope simple obtenant de forts grossissements (300 ×), il inventa ainsi le premier microscope optique (ou microscope photonique), observant tout ce qui lui tombait sous la main, la biologie cellulaire était née.

Aujourd'hui, diverses techniques d'observation permettent d'étudier les cellules. Une étude morphologique, à l'aide de :
- la microscopie optique (ou photonique) qui permet des grossissements de l'ordre de 2000 fois
- La microscopie électronique permet des grossissements plus importants de l'ordre de 200 000 à 2000 000 fois


Une étude fonctionnelle et de constitution physico-chimique :
- Étude cytochimique : fixation de la cellule, utilisation des colorants ayant des affinités différentes avec les composés chimiques selon leur pH (par ex : ADN en vert, ARN en rose) utilisation de réactions antigène-anticorps puis révélation du complexe immun par un colorant et visualisation au microscope photonique.
- Fractionnement cellulaire : broyage puis centrifugation pour isoler les différentes populations d'organites et étude biochimique des différents organites.
- Culture in-vitro : permet d'étudier des cellules dans des conditions variées.
- Micro-chirurgie : permet l'ablation ou des greffes d'organites (étude des fonctions des organites).
- Autoradiographie : précurseur radio-actif (donc détachable) incorporé par les cellules et détecté par radiographie.
- Étude de la cinétique de la structure marquée grâce à des prélèvements sériés dans le temps

escherichia coli
Vue de bactéries e.coli en microscropie électronique à balayage


Ces différentes techniques ont permis de différencier deux grands types cellulaires (deux "empires") :
- les cellules eucaryotes (avec au moins un noyau)
- les cellules procaryotes (sans noyau)

Les procaryotes peuvent être divisés en deux groupes : les eubactéries et les archéobactéries. Les travaux de Woese dans les années 75 ont permit la définition en 1977 du domaine des archéobactéries (ou Archaea) à la suite d'observations reposant sur les comparaisons de l'ARN 16S et donc d'une division du monde vivant en 3 domaines : eubactéries, archéobactéries et eucaryotes.

Ce sont les cellules sans noyau, de petites tailles et sans organites intracellulaires. Une région du cytoplasme renferme le chromosome bactérien (attention, certaines eubactéries contiennent plusieurs chromosomes, qui ne sont pas toujours circulaires) : le nucléoïde qui n'est pas délimité par une enveloppe, il baigne dans le cytoplasme. Elles peuvent également contenir divers morceaux d'ADN également circulaires mais beaucoup plus petit et en nombres variables (même entre les individus d'une même espèce, voire à des moments différents de la vie d'un même individu), les plasmides. Enfin, ces cellules ne contiennent pas de cytosquelette.

Pendant longtemps, procaryote a été synonyme de bactérie, jusqu'à la séparation des eubactéries (vraies bactéries) et des archéobactéries. Ces dernières partagent avec les eubactéries la possession d'un chromosome circulaire unique, l'absence de cytosquelette, et très peu d'introns. Elles disposent de particularités originales, leur membrane notamment est constituée de lipides retrouvés nulle part ailleurs dans le monde vivant. La principale caractéristique des archéobactéries est leur capacité a survivre dans les milieux extrêmes : eaux très acides (pH<1) ou très salées (mer morte) ou très chaudes (>120°C) ou très froides (<0°C), bien que la plupart d'entre elles vivent dans des milieux plus cléments.

Les eucaryotes sont les cellules qui constituent la majorité de l'environnement que nous conaissons, comme toutes 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. La structure génétique de ces cellules est constituée de plusieurs brins linéaires d'ADN (les chromosomes) et par des gènes en "mosaïque", c'est à dire que les zones codantes du gène sont découpées en morceaux (les exons) qui sont séparés par des zones non codantes (les introns). Elles sont souvent de grande taille. 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.

Merci à Alain BERNOT (enseignant-chercheur) pour sa contribution à l'élaboration de cette page.

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