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Biologie cellulaire)

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À ne pas confondre avec la biologie cellulaire .

Cellule
Wilson1900Fig2.jpg
Cellules de racine d' oignon ( Allium cepa ) dans différentes phases du cycle cellulaire (dessiné par EB Wilson , 1900)
Celltypes.svg
Une cellule eucaryote (à gauche) et une cellule procaryote (à droite)
Identifiants
EngrenerD002477
EH1.00.01.0.00001
FMA686465
Terminologie anatomique

La cellule (du latin cella , signifiant "petite pièce" [1] ) est l'unité structurelle, fonctionnelle et biologique de base de tous les organismes connus. Une cellule est la plus petite unité de vie. Les cellules sont souvent appelées les «éléments constitutifs de la vie». L'étude des cellules est appelée biologie cellulaire, biologie cellulaire ou cytologie.

Les cellules sont constituées d'un cytoplasme enfermé dans une membrane , qui contient de nombreuses biomolécules telles que des protéines et des acides nucléiques . [2] La plupart des cellules végétales et animales ne sont visibles qu'au microscope optique , avec des dimensions comprises entre 1 et 100  micromètres . [3] La microscopie électronique donne une résolution beaucoup plus élevée montrant une structure cellulaire très détaillée. Les organismes peuvent être classés comme unicellulaires (constitués d'une seule cellule telle que des bactéries ) ou multicellulaires (y compris les plantes et les animaux). [4] La plupartles organismes unicellulaires sont classés comme des micro-organismes .

Le nombre de cellules dans les plantes et les animaux varie d'une espèce à l'autre; il a été estimé que les humains contiennent quelque 40 trillions de cellules (4 × 10 13 ). [a] [5] Le cerveau humain représente environ 80 milliards de ces cellules. [6]

Les cellules ont été découvertes par Robert Hooke en 1665, qui les a nommées pour leur ressemblance avec des cellules habitées par des moines chrétiens dans un monastère. [7] [8] La théorie cellulaire , d'abord développée en 1839 par Matthias Jakob Schleiden et Theodor Schwann , déclare que tous les organismes sont composés d'une ou plusieurs cellules, que les cellules sont l'unité fondamentale de structure et de fonction dans tous les organismes vivants, et que toutes les cellules proviennent de cellules préexistantes. [9] Les cellules sont apparues sur Terre il y a au moins 3,5 milliards d'années. [10] [11] [12]

Types de cellules

Les cellules sont de deux types: eucaryotes , qui contiennent un noyau , et procaryotes , qui n'en contiennent pas. Les procaryotes sont des organismes unicellulaires , tandis que les eucaryotes peuvent être unicellulaires ou multicellulaires .

Des cellules procaryotes

Article principal: procaryote
Structure d'une cellule procaryote typique

Les procaryotes comprennent les bactéries et les archées , deux des trois domaines de la vie . Les cellules procaryotes étaient la première forme de vie sur Terre, caractérisée par des processus biologiques vitaux , y compris la signalisation cellulaire . Ils sont plus simples et plus petits que les cellules eucaryotes et n'ont pas de noyau ni d'autres organites liés à la membrane . L' ADN d'une cellule procaryote est constitué d'un seul chromosome circulaire qui est en contact direct avec le cytoplasme . La région nucléaire du cytoplasme est appelée le nucléoïde. La plupart des procaryotes sont les plus petits de tous les organismes dont le diamètre varie de 0,5 à 2,0 μm. [13]

Une cellule procaryote a trois régions:

  • Enfermant la cellule se trouve l' enveloppe cellulaire - généralement constituée d'une membrane plasmique recouverte d'une paroi cellulaire qui, pour certaines bactéries, peut être en outre recouverte par une troisième couche appelée capsule . Bien que la plupart des procaryotes aient à la fois une membrane cellulaire et une paroi cellulaire, il existe des exceptions telles que Mycoplasma (bactéries) et Thermoplasma (archées) qui ne possèdent que la couche de membrane cellulaire. L'enveloppe donne de la rigidité à la cellule et sépare l'intérieur de la cellule de son environnement, servant de filtre protecteur. La paroi cellulaire est constituée de peptidoglycanedans les bactéries et agit comme une barrière supplémentaire contre les forces extérieures. Il empêche également la cellule de se dilater et d'éclater ( cytolyse ) sous la pression osmotique due à un environnement hypotonique . Certaines cellules eucaryotes (cellules végétales et cellules fongiques ) possèdent également une paroi cellulaire.
  • À l'intérieur de la cellule se trouve la région cytoplasmique qui contient le génome (ADN), les ribosomes et diverses sortes d'inclusions. [4] Le matériel génétique se trouve librement dans le cytoplasme. Les procaryotes peuvent porter des éléments d' ADN extrachromosomiques appelés plasmides , qui sont généralement circulaires. Des plasmides bactériens linéaires ont été identifiés dans plusieurs espèces de bactéries spirochètes , y compris des membres du genre Borrelia notamment Borrelia burgdorferi , responsable de la maladie de Lyme. [14] Bien que ne formant pas de noyau, l' ADN est condensé dans un nucléoïde. Les plasmides codent pour des gènes supplémentaires, tels que des gènes de résistance aux antibiotiques .
  • À l'extérieur, des flagelles et des pili se projettent de la surface de la cellule. Ce sont des structures (non présentes chez tous les procaryotes) constituées de protéines qui facilitent le mouvement et la communication entre les cellules.
Structure d'une cellule animale typique
Structure d'une cellule végétale typique

Des cellules eucaryotes

Article principal: eucaryote

Les plantes , les animaux , les champignons , les moisissures visqueuses , les protozoaires et les algues sont tous eucaryotes . Ces cellules sont environ quinze fois plus larges qu'un procaryote typique et peuvent être jusqu'à mille fois plus volumineuses. La principale caractéristique distinctive des eucaryotes par rapport aux procaryotes est la compartimentation : la présence d' organites (compartiments) liés à la membrane dans lesquels des activités spécifiques ont lieu. Le plus important parmi ceux-ci est un noyau cellulaire , [4] un organite qui abrite l' ADN de la cellule. Ce noyau donne à l'eucaryote son nom, qui signifie "vrai noyau (noyau)". D'autres différences incluent:

  • La membrane plasmique ressemble à celle des procaryotes en fonction, avec des différences mineures dans la configuration. Les parois cellulaires peuvent être présentes ou non.
  • L'ADN eucaryote est organisé en une ou plusieurs molécules linéaires, appelées chromosomes , associées à des protéines histones . Tout l'ADN chromosomique est stocké dans le noyau cellulaire , séparé du cytoplasme par une membrane. [4] Certains organites eucaryotes tels que les mitochondries contiennent également de l'ADN.
  • De nombreuses cellules eucaryotes sont ciliées avec des cils primaires . Les cils primaires jouent un rôle important dans la chimiosensation, la mécanosensation et la thermosensation. Chaque cil peut ainsi être «vu comme une antenne cellulaire sensorielle qui coordonne un grand nombre de voies de signalisation cellulaire, couplant parfois la signalisation à la motilité ciliaire ou encore à la division et à la différenciation cellulaires». [15]
  • Les eucaryotes mobiles peuvent se déplacer en utilisant des cils mobiles ou des flagelles . Les cellules mobiles sont absentes des conifères et des plantes à fleurs . [16] Les flagelles eucaryotes sont plus complexes que ceux des procaryotes. [17]
Comparaison des caractéristiques des cellules procaryotes et eucaryotes
ProcaryotesEucaryotes
Organismes typiquesbactéries , archéesprotistes , champignons , plantes , animaux
Taille typique~ 1 à 5  μm [18]~ 10 à 100 μm [18]
Type de noyaurégion nucléoïde ; pas de vrai noyauvrai noyau avec double membrane
ADNcirculaire (généralement)molécules linéaires ( chromosomes ) avec des protéines histones
Synthèse ARN / protéinescouplé dans le cytoplasmeSynthèse d'ARN dans la
synthèse des protéines du noyau dans le cytoplasme
Ribosomes50S et 30S60S et 40S
Structure cytoplasmiquetrès peu de structureshautement structuré par des endomembranes et un cytosquelette
Mouvement cellulaireflagelles en flagellineflagelles et cils contenant des microtubules ; lamellipodes et filopodes contenant de l' actine
Mitochondriesrienun à plusieurs milliers
Les chloroplastesriendans les algues et les plantes
Organisationgénéralement des cellules uniquescellules uniques, colonies, organismes multicellulaires supérieurs avec des cellules spécialisées
La division cellulairefission binaire (division simple)mitose (fission ou bourgeonnement)
méiose
Les chromosomeschromosome uniqueplus d'un chromosome
Membranesmembrane cellulaireMembrane cellulaire et organites liés à la membrane

Composants subcellulaires

Toutes les cellules, qu'elles soient procaryotes ou eucaryotes , ont une membrane qui enveloppe la cellule, régule ce qui entre et sort (sélectivement perméable) et maintient le potentiel électrique de la cellule . À l'intérieur de la membrane, le cytoplasme occupe la majeure partie du volume de la cellule. Toutes les cellules (à l'exception des globules rouges qui n'ont pas de noyau cellulaire et la plupart des organites pour accueillir un espace maximal pour l' hémoglobine ) possèdent de l' ADN , le matériel héréditaire des gènes et de l' ARN , contenant les informations nécessaires pour construire diverses protéines telles queenzymes , la principale machinerie de la cellule. Il existe également d'autres types de biomolécules dans les cellules. Cet article répertorie ces composants cellulaires primaires , puis décrit brièvement leur fonction.

Membrane

Article principal: membrane cellulaire
Diagramme détaillé de la membrane cellulaire bicouche lipidique

La membrane cellulaire , ou membrane plasmique, est une membrane biologique qui entoure le cytoplasme d'une cellule. Chez les animaux, la membrane plasmique est la limite externe de la cellule, tandis que chez les plantes et les procaryotes, elle est généralement recouverte par une paroi cellulaire . Cette membrane sert à séparer et à protéger une cellule de son environnement environnant et est constituée principalement d'une double couche de phospholipides , qui sont amphiphiles (en partie hydrophobes et en partie hydrophiles ). Par conséquent, la couche est appelée bicouche phospholipidique , ou parfois membrane de mosaïque fluide. Inclus dans cette membrane est une structure macromoléculaire appelée le porosomele portail sécrétoire universel dans les cellules et une variété de molécules de protéines qui agissent comme des canaux et des pompes qui déplacent différentes molécules dans et hors de la cellule. [4] La membrane est semi-perméable et sélectivement perméable, en ce qu'elle peut soit laisser passer une substance ( molécule ou ion ) librement, soit traverser dans une mesure limitée ou ne pas traverser du tout. Les membranes de surface cellulaire contiennent également des protéines réceptrices qui permettent aux cellules de détecter des molécules de signalisation externes telles que les hormones .

Cytosquelette

Article principal: Cytosquelette
Une image fluorescente d'une cellule endothéliale. Les noyaux sont colorés en bleu, les mitochondries sont colorées en rouge et les microfilaments sont colorés en vert.

Le cytosquelette agit pour organiser et maintenir la forme de la cellule; ancre les organites en place; aide pendant l' endocytose , l'absorption de matériaux externes par une cellule et la cytokinèse , la séparation des cellules filles après la division cellulaire ; et déplace des parties de la cellule dans des processus de croissance et de mobilité. Le cytosquelette eucaryote est composé de microtubules , de filaments intermédiaires et de microfilaments . Dans le cytosquelette d'un neurone, les filaments intermédiaires sont appelés neurofilaments . Un grand nombre de protéines leur sont associées, chacune contrôlant la structure d'une cellule en dirigeant, regroupant et alignant les filaments.[4] Le cytosquelette procaryote est moins bien étudié mais est impliqué dans le maintien de la forme cellulaire, de la polarité et de la cytokinèse. [19] La protéine sous-unité des microfilaments est une petite protéine monomère appelée actine . La sous-unité des microtubules est une molécule dimère appelée tubuline . Les filaments intermédiaires sont des hétéropolymères dont les sous-unités varient selon les types de cellules dans différents tissus. Mais certaines des protéines sous-unitairesdes filaments intermédiaires comprennent la vimentine , la desmine , la lamin (lamines A, B et C), la kératine (plusieurs kératines acides et basiques), les protéines neurofilamentaires (NF – L, NF – M).

Matériel génétique

Articles principaux: ADN et ARN
Acide désoxyribonucléique (ADN)

Il existe deux types différents de matériel génétique: l'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN). Les cellules utilisent l'ADN pour leur stockage d'informations à long terme. Les informations biologiques contenues dans un organisme sont codées dans sa séquence d'ADN. [4] L' ARN est utilisé pour le transport de l'information (par exemple, l' ARNm ) et les fonctions enzymatiques (par exemple, l' ARN ribosomal ). Les molécules d' ARN de transfert (ARNt) sont utilisées pour ajouter des acides aminés pendant la traduction des protéines .

Le matériel génétique procaryote est organisé en un simple chromosome bactérien circulaire dans la région nucléoïde du cytoplasme. Le matériel génétique eucaryote est divisé en différentes molécules linéaires [4] appelées chromosomes à l' intérieur d'un noyau discret, généralement avec du matériel génétique supplémentaire dans certains organites comme les mitochondries et les chloroplastes (voir la théorie endosymbiotique ).

Une cellule humaine a du matériel génétique contenu dans le noyau cellulaire (le génome nucléaire ) et dans les mitochondries (le génome mitochondrial ). Chez l'homme, le génome nucléaire est divisé en 46 molécules d'ADN linéaires appelées chromosomes , dont 22 paires de chromosomes homologues et une paire de chromosomes sexuels . Le génome mitochondrial est une molécule d'ADN circulaire distincte de l'ADN nucléaire. Bien que l' ADN mitochondrial soit très petit par rapport aux chromosomes nucléaires, [4] il code pour 13 protéines impliquées dans la production d'énergie mitochondriale et des ARNt spécifiques.

Le matériel génétique étranger (le plus souvent de l'ADN) peut également être introduit artificiellement dans la cellule par un processus appelé transfection . Cela peut être transitoire, si l'ADN n'est pas inséré dans le génome de la cellule , ou stable, si c'est le cas. Certains virus insèrent également leur matériel génétique dans le génome.

Organelles

Article détaillé: Organelle

Les organites sont des parties de la cellule qui sont adaptées et / ou spécialisées pour exécuter une ou plusieurs fonctions vitales, analogues aux organes du corps humain (tels que le cœur, les poumons et les reins, chaque organe remplissant une fonction différente). [4] Les cellules eucaryotes et procaryotes ont des organites, mais les organites procaryotes sont généralement plus simples et ne sont pas liées à la membrane.

Il existe plusieurs types d'organites dans une cellule. Certains (comme le noyau et l'appareil de Golgi ) sont généralement solitaires, tandis que d'autres (comme les mitochondries , les chloroplastes , les peroxisomes et les lysosomes ) peuvent être nombreux (des centaines à des milliers). Le cytosol est le liquide gélatineux qui remplit la cellule et entoure les organites.

Eucaryote

Cellules cancéreuses humaines, en particulier les cellules HeLa , avec de l'ADN coloré en bleu. La cellule centrale et la cellule la plus à droite sont en interphase , leur ADN est donc diffus et les noyaux entiers sont marqués. La cellule de gauche est en mitose et ses chromosomes se sont condensés.
Rendu 3D d'une cellule eucaryote
  • Noyau cellulaire : Centre d'information d'une cellule, le noyau cellulaire est l'organite le plus visible d'une cellule eucaryote . Il abrite les chromosomes de la cellule et est le lieu où se produisent presque toutes les réplications d' ADN et la synthèse d' ARN ( transcription ). Le noyau est sphérique et séparé du cytoplasme par une double membrane appelée enveloppe nucléaire . L'enveloppe nucléaire isole et protège l'ADN d'une cellule de diverses molécules qui pourraient accidentellement endommager sa structure ou interférer avec son traitement. Pendant le traitement, l' ADN est transcrit ou copié dans un ARN spécial, appelé ARN messager (ARNm). Cet ARNm est ensuite transporté hors du noyau, où il est traduit en une molécule protéique spécifique. Le nucléole est une région spécialisée dans le noyau où les sous-unités de ribosomes sont assemblées. Chez les procaryotes, le traitement de l'ADN a lieu dans le cytoplasme . [4]
  • Mitochondries et chloroplastes : génèrent de l'énergie pour la cellule. Les mitochondries sont des organites auto-réplicantes qui se produisent dans divers nombres, formes et tailles dans le cytoplasme de toutes les cellules eucaryotes. [4] La respiration se produit dans les mitochondries cellulaires, qui génèrent l'énergie de la cellule par phosphorylation oxydative , en utilisant l' oxygène pour libérer l'énergie stockée dans les nutriments cellulaires (appartenant généralement au glucose ) pour générer de l' ATP . Les mitochondries se multiplient par fission binaire , comme les procaryotes. Les chloroplastes ne peuvent être trouvés que dans les plantes et les algues, et ils captent l'énergie du soleil pour fabriquer des glucides par photosynthèse .
Schéma du système endomembranaire
  • Réticulum endoplasmique : Le réticulum endoplasmique (RE) est un réseau de transport de molécules ciblées pour certaines modifications et destinations spécifiques, par rapport aux molécules qui flottent librement dans le cytoplasme. Le RE a deux formes: le RE rugueux, qui a des ribosomes à sa surface qui sécrètent des protéines dans le RE, et le RE lisse, qui manque de ribosomes. [4] Le RE lisse joue un rôle dans la séquestration et la libération du calcium.
  • Appareil de Golgi : La fonction principale de l'appareil de Golgi est de traiter et de conditionner les macromolécules telles que les protéines et les lipides qui sont synthétisées par la cellule.
  • Lysosomes et peroxisomes : Les lysosomes contiennent des enzymes digestives ( hydrolases acides ). Ils digèrent les organites en excès ou usés , les particules de nourriture et les virus ou bactéries engloutis . Les peroxisomes ont des enzymes qui débarrassent la cellule des peroxydes toxiques . La cellule ne pourrait pas abriter ces enzymes destructrices si elles n'étaient pas contenues dans un système lié à la membrane. [4]
  • Centrosome : l'organisateur du cytosquelette: Le centrosome produit les microtubules d'une cellule - un composant clé du cytosquelette . Il dirige le transport à travers l' ER et l'appareil de Golgi . Les centrosomes sont composés de deux centrioles , qui se séparent lors de la division cellulaire et aident à la formation du fuseau mitotique . Un seul centrosome est présent dans les cellules animales . On les trouve également dans certains champignons et cellules d'algues.
  • Vacuoles : les vacuoles séquestrent les déchets et dans les cellules végétales stockent l'eau. Ils sont souvent décrits comme des espaces remplis de liquide et sont entourés d'une membrane. Certaines cellules, notamment Amoeba , ont des vacuoles contractiles, qui peuvent pomper l'eau hors de la cellule s'il y a trop d'eau. Les vacuoles des cellules végétales et des cellules fongiques sont généralement plus grandes que celles des cellules animales.

Eucaryote et procaryote

  • Ribosomes : Le ribosome est un grand complexe de molécules d' ARN et de protéines . [4] Ils se composent chacun de deux sous-unités et agissent comme une chaîne de montage où l'ARN du noyau est utilisé pour synthétiser des protéines à partir d'acides aminés. Les ribosomes peuvent être trouvés flottant librement ou liés à une membrane (le réticulum endoplasmatique rugueux chez les eucaryotes, ou la membrane cellulaire chez les procaryotes). [20]

Structures à l'extérieur de la membrane cellulaire

De nombreuses cellules ont également des structures qui existent totalement ou partiellement à l'extérieur de la membrane cellulaire. Ces structures sont remarquables car elles ne sont pas protégées de l'environnement extérieur par la membrane cellulaire semi - perméable . Afin d'assembler ces structures, leurs composants doivent être transportés à travers la membrane cellulaire par des processus d'exportation.

Paroi cellulaire

Informations complémentaires: Paroi cellulaire

De nombreux types de cellules procaryotes et eucaryotes ont une paroi cellulaire . La paroi cellulaire agit pour protéger la cellule mécaniquement et chimiquement de son environnement, et constitue une couche de protection supplémentaire pour la membrane cellulaire. Différents types de cellules ont des parois cellulaires constituées de différents matériaux; les parois cellulaires végétales sont principalement constituées de cellulose , les parois cellulaires des champignons sont constituées de chitine et les parois cellulaires des bactéries sont constituées de peptidoglycane .

Procaryote

Capsule

Une capsule gélatineuse est présente dans certaines bactéries à l'extérieur de la membrane cellulaire et de la paroi cellulaire. La capsule peut être un polysaccharide comme dans les pneumocoques , les méningocoques ou un polypeptide comme Bacillus anthracis ou l'acide hyaluronique comme dans les streptocoques . Les capsules ne sont pas marquées par les protocoles de coloration normaux et peuvent être détectées à l'encre de Chine ou au bleu de méthyle ; ce qui permet un contraste plus élevé entre les cellules pour l'observation. [21] : 87

Flagelles

Les flagelles sont des organites pour la mobilité cellulaire. Le flagelle bactérien s'étend du cytoplasme à travers la ou les membranes cellulaires et extrude à travers la paroi cellulaire. Ce sont des appendices filiformes longs et épais, de nature protéique. On trouve un type différent de flagelle chez les archées et un autre type chez les eucaryotes.

Fimbriae

Un fimbria (pluriel fimbriae également connu sous le nom de pilus , pluriel pili) est un filament court et fin, semblable à un poil, trouvé à la surface des bactéries. Les fimbriae sont formés d'une protéine appelée piline ( antigénique ) et sont responsables de l'attachement des bactéries à des récepteurs spécifiques sur les cellules humaines ( adhésion cellulaire ). Il existe des types particuliers de pili impliqués dans la conjugaison bactérienne .

Processus cellulaires

Les procaryotes se divisent par fission binaire , tandis que les eucaryotes se divisent par mitose ou méiose .

Réplication

Article principal: Division cellulaire

La division cellulaire implique une seule cellule (appelée cellule mère ) se divisant en deux cellules filles. Cela conduit à la croissance des organismes multicellulaires (croissance des tissus ) et à la procréation ( reproduction végétative ) des organismes unicellulaires . Les cellules procaryotes se divisent par fission binaire , tandis que les cellules eucaryotes subissent généralement un processus de division nucléaire, appelé mitose , suivi d'une division de la cellule, appelée cytokinèse . Une cellule diploïde peut également subir une méiose pour produire des cellules haploïdes, généralement quatre. Haploïdeles cellules servent de gamètes dans les organismes multicellulaires, fusionnant pour former de nouvelles cellules diploïdes.

La réplication de l'ADN , ou processus de duplication du génome d'une cellule, [4] se produit toujours lorsqu'une cellule se divise par mitose ou fission binaire. Cela se produit pendant la phase S du cycle cellulaire .

Dans la méiose, l'ADN n'est répliqué qu'une seule fois, tandis que la cellule se divise deux fois. Réplication de l' ADN se produit seulement avant la méiose I . La réplication de l'ADN ne se produit pas lorsque les cellules se divisent la deuxième fois, dans la méiose II . [22] La réplication, comme toutes les activités cellulaires, nécessite des protéines spécialisées pour effectuer le travail. [4]

Un aperçu du catabolisme des protéines , des glucides et des graisses

Réparation de l'ADN

Article principal: réparation de l'ADN

En général, les cellules de tous les organismes contiennent des systèmes enzymatiques qui analysent leur ADN à la recherche de dommages et effectuent des processus de réparation lorsque des dommages sont détectés. [23] Divers processus de réparation ont évolué dans des organismes allant des bactéries aux humains. La prévalence généralisée de ces processus de réparation indique l'importance de maintenir l'ADN cellulaire dans un état intact afin d'éviter la mort cellulaire ou des erreurs de réplication dues à des dommages qui pourraient conduire à une mutation . Les bactéries E. coli sont un exemple bien étudié d'organisme cellulaire avec divers processus de réparation de l'ADN bien définis . Ceux-ci comprennent: (1) la réparation par excision des nucléotides , (2) la réparation des mésappariements d'ADN, (3) jonction d'extrémité non homologue de cassures double brin, (4) réparation recombinante et (5) réparation dépendante de la lumière ( photoréactivation ).

Croissance et métabolisme

Un aperçu de la synthèse des protéines.
Au sein du noyau de la cellule ( bleu clair ), les gènes (ADN, bleu foncé ) sont transcrits en ARN . Cet ARN est ensuite soumis à une modification post-transcriptionnelle et à un contrôle, résultant en un ARNm mature ( rouge ) qui est ensuite transporté hors du noyau et dans le cytoplasme ( pêche ), où il subit une traduction en protéine. L'ARNm est traduit par des ribosomes ( violet ) qui correspondent aux codons à trois basesde l'ARNm aux anti-codons à trois bases de l' ARNt approprié . Les protéines nouvellement synthétisées ( noires ) sont souvent modifiées davantage, par exemple en se liant à une molécule effectrice ( orange ), pour devenir pleinement actives.
Articles principaux: Croissance cellulaire et métabolisme

Entre les divisions cellulaires successives, les cellules se développent grâce au fonctionnement du métabolisme cellulaire. Le métabolisme cellulaire est le processus par lequel les cellules individuelles traitent les molécules nutritives. Le métabolisme a deux divisions distinctes: le catabolisme , dans lequel la cellule décompose des molécules complexes pour produire de l'énergie et un pouvoir réducteur , et l' anabolisme , dans lequel la cellule utilise l'énergie et le pouvoir réducteur pour construire des molécules complexes et remplir d'autres fonctions biologiques. Les sucres complexes consommés par l'organisme peuvent être décomposés en molécules de sucre plus simples appelées monosaccharides comme le glucose . Une fois à l'intérieur de la cellule, le glucose est décomposé pour produire de l'adénosine triphosphate ( ATP ), [4] une molécule qui possède une énergie facilement disponible, par deux voies différentes.

Synthèse des protéines

Article principal: biosynthèse des protéines

Les cellules sont capables de synthétiser de nouvelles protéines, essentielles à la modulation et au maintien des activités cellulaires. Ce processus implique la formation de nouvelles molécules de protéines à partir de blocs de construction d' acides aminés basés sur des informations codées dans l'ADN / ARN. La synthèse des protéines se compose généralement de deux étapes majeures: la transcription et la traduction .

La transcription est le processus par lequel l'information génétique dans l'ADN est utilisée pour produire un brin d'ARN complémentaire. Ce brin d'ARN est ensuite traité pour donner de l'ARN messager (ARNm), qui est libre de migrer à travers la cellule. Les molécules d'ARNm se lient à des complexes protéine-ARN appelés ribosomes situés dans le cytosol , où ils sont traduits en séquences polypeptidiques. Le ribosome médie la formation d'une séquence polypeptidique basée sur la séquence d'ARNm. La séquence d'ARNm se rapporte directement à la séquence polypeptidique en se liant à des molécules adaptatrices d' ARN de transfert (ARNt) dans des poches de liaison à l'intérieur du ribosome. Le nouveau polypeptide se replie ensuite en une molécule de protéine tridimensionnelle fonctionnelle.

La motilité

Article principal: Motilité

Les organismes unicellulaires peuvent se déplacer pour trouver de la nourriture ou échapper aux prédateurs. Les mécanismes courants de mouvement comprennent les flagelles et les cils .

Dans les organismes multicellulaires, les cellules peuvent se déplacer au cours de processus tels que la cicatrisation des plaies, la réponse immunitaire et les métastases cancéreuses . Par exemple, lors de la cicatrisation des blessures chez les animaux, les globules blancs se déplacent vers le site de la plaie pour tuer les micro-organismes qui causent l'infection. La motilité cellulaire implique de nombreux récepteurs, la réticulation, le regroupement, la liaison, l'adhésion, les protéines motrices et autres. [24] Le processus est divisé en trois étapes - saillie du bord d'attaque de la cellule, adhésion du bord d'attaque et désadhésion au corps cellulaire et à l'arrière, et contraction du cytosquelette pour tirer la cellule vers l'avant. Chaque étape est entraînée par des forces physiques générées par des segments uniques du cytosquelette. [25] [26]

Navigation, contrôle et communication

Voir aussi: Cybernétique § En biologie

En août 2020, les scientifiques ont décrit les cellules à sens unique - en particulier les cellules d'une moisissure visqueuse et les cellules dérivées du cancer du pancréas de souris - sont capables de naviguer efficacement à travers un corps et d'identifier les meilleures routes à travers des labyrinthes complexes: générer des gradients après avoir décomposé les chimioattractants diffusés qui leur permettre de détecter les jonctions du labyrinthe à venir avant de les atteindre, y compris dans les coins. [27] [28] [29]

Multicellularité

Article principal: organisme multicellulaire

Spécialisation / différenciation cellulaire

Article principal: Différenciation cellulaire
Coloration d'une Caenorhabditis elegans qui met en évidence les noyaux de ses cellules.

Les organismes multicellulaires sont des organismes constitués de plus d'une cellule, contrairement aux organismes unicellulaires . [30]

Dans les organismes multicellulaires complexes, les cellules se spécialisent dans différents types de cellules qui sont adaptés à des fonctions particulières. Chez les mammifères, les principaux types de cellules comprennent les cellules cutanées , les cellules musculaires , les neurones , les cellules sanguines , les fibroblastes , les cellules souches et autres. Les types de cellules diffèrent à la fois en apparence et en fonction, mais sont génétiquement identiques. Les cellules peuvent être du même génotype mais de type cellulaire différent en raison de l' expression différentielle des gènes qu'elles contiennent.

La plupart des types de cellules distincts proviennent d'une seule cellule totipotente , appelée zygote , qui se différencie en centaines de types de cellules différents au cours du développement . La différenciation des cellules est dictée par différents signaux environnementaux (tels que l'interaction cellule-cellule) et des différences intrinsèques (telles que celles causées par la distribution inégale des molécules pendant la division ).

Origine de la multicellularité

Article principal: organisme multicellulaire

La multicellularité a évolué indépendamment au moins 25 fois, [31] y compris chez certains procaryotes, comme les cyanobactéries , les myxobactéries , les actinomycètes , Magnetoglobus multicellularis ou Methanosarcina . Cependant, les organismes multicellulaires complexes n'ont évolué que dans six groupes eucaryotes: les animaux, les champignons, les algues brunes, les algues rouges, les algues vertes et les plantes. [32] Il a évolué à plusieurs reprises pour les plantes ( Chloroplastida ), une ou deux fois pour les animaux , une fois pour les algues brunes et peut-être plusieurs fois pour les champignons , les moisissures visqueuses et les algues rouges .[33] La multicellularité peut avoir évolué à partir de colonies d'organismes interdépendants, de cellularisation ou d'organismes dans des relations symbiotiques .

La première preuve de multicellularité provient d' organismes semblables à des cyanobactéries qui vivaient il y a entre 3 et 3,5 milliards d'années. [31] D'autres fossiles précoces d'organismes multicellulaires incluent le Grypania spiralis contesté et les fossiles des schistes noirs du Paléoprotérozoïque Francevillian Group Fossil B Formation au Gabon . [34]

L'évolution de la multicellularité des ancêtres unicellulaires a été reproduite en laboratoire, dans des expériences d'évolution utilisant la prédation comme pression sélective . [31]

Origines

Article principal: Histoire évolutive de la vie

L'origine des cellules a à voir avec l' origine de la vie , qui a commencé l' histoire de la vie sur Terre.

Origine de la première cellule

Les stromatolithes sont laissées par les cyanobactéries , également appelées algues bleu-vert. Ce sont les plus anciens fossiles de la vie connus sur Terre. Ce fossile vieux d'un milliard d'années provient du parc national des Glaciers aux États-Unis.
Informations complémentaires: Abiogenèse et évolution des cellules

Il existe plusieurs théories sur l'origine des petites molécules qui ont conduit à la vie sur la Terre primitive . Ils peuvent avoir été transportés sur Terre sur des météorites (voir météorite de Murchison ), créés dans des évents en haute mer ou synthétisés par la foudre dans une atmosphère réductrice (voir l' expérience de Miller-Urey ). Il existe peu de données expérimentales définissant quelles étaient les premières formes auto-réplicatives. On pense que l' ARN est la première molécule auto-réplicante, car elle est capable à la fois de stocker des informations génétiques et de catalyser des réactions chimiques (voir l'hypothèse du monde de l'ARN ), mais une autre entité ayant le potentiel de s'auto-répliquer aurait pu précéder l'ARN, telle que argile ouacide nucléique peptidique . [35]

Les cellules sont apparues il y a au moins 3,5 milliards d'années. [10] [11] [12] La croyance actuelle est que ces cellules étaient des hétérotrophes . Les premières membranes cellulaires étaient probablement plus simples et perméables que les membranes modernes, avec une seule chaîne d'acide gras par lipide. Les lipides sont connus pour former spontanément des vésicules bicouches dans l'eau, et pourraient avoir précédé l'ARN, mais les premières membranes cellulaires pourraient également avoir été produites par l'ARN catalytique, ou même avoir nécessité des protéines structurelles avant de pouvoir se former. [36]

Origine des cellules eucaryotes

Informations complémentaires: Evolution de la reproduction sexuée

La cellule eucaryote semble avoir évolué à partir d'une communauté symbiotique de cellules procaryotes. Les organites portant l'ADN, comme les mitochondries et les chloroplastes, descendent respectivement d'anciennes protéobactéries et cyanobactéries symbiotiques respirant l'oxygène , endosymbiosées par un procaryote ancestral archéen .

Il y a encore un débat considérable sur la question de savoir si les organites comme l' hydrogénosome ont précédé l'origine des mitochondries , ou vice versa: voir l' hypothèse de l' hydrogène pour l'origine des cellules eucaryotes.

Histoire de la recherche

Article principal: théorie cellulaire
Dessin de Hooke de cellules en liège , 1665
  • 1632–1723: Antonie van Leeuwenhoek apprend lui-même à fabriquer des lentilles , construit des microscopes optiques de base et tire des protozoaires, tels que Vorticella de l'eau de pluie, et des bactéries de sa propre bouche.
  • 1665: Robert Hooke découvre des cellules dans du liège , puis dans des tissus végétaux vivants à l'aide d'un microscope composé précoce. Il a inventé le terme cellule (du latin cella , signifiant "petite pièce" [1] ) dans son livre Micrographia (1665). [37]
  • 1839: Theodor Schwann et Matthias Jakob Schleiden ont élucidé le principe que les plantes et les animaux sont constitués de cellules, concluant que les cellules sont une unité commune de structure et de développement, fondant ainsi la théorie cellulaire.
  • 1855: Rudolf Virchow déclare que les nouvelles cellules proviennent de cellules préexistantes par division cellulaire ( omnis cellula ex cellula ).
  • 1859: La croyance que les formes de vie peuvent se produire spontanément ( generatio spontanea ) est contredite par Louis Pasteur (1822–1895) (bien que Francesco Redi ait réalisé une expérience en 1668 qui suggère la même conclusion).
  • 1931: Ernst Ruska construit le premier microscope électronique à transmission (TEM) à l' Université de Berlin . En 1935, il avait construit un ME avec une résolution deux fois plus élevée qu'un microscope optique, révélant des organites auparavant insolubles.
  • 1953: Sur la base des travaux de Rosalind Franklin , Watson et Crick ont fait leur première annonce sur la structure en double hélice de l'ADN.
  • 1981: Lynn Margulis a publié Symbiosis in Cell Evolution détaillant la théorie endosymbiotique .

Voir également

  • Cortex cellulaire
  • Culture de cellules
  • Modèle cellulaire
  • Cytorrhyse
  • Cytonème
  • Cytotoxicité
  • Cellule humaine
  • Radeau à lèvres
  • Aperçu de la biologie cellulaire
  • Parakaryon myojinensis
  • Plasmolyse
  • Syncytium
  • Nanotube tunnel
  • Voûte (organite)

Les références

  1. ^ un b "Cellule" . Dictionnaire d'étymologie en ligne . Récupéré le 31 décembre 2012 .
  2. ^ Les mouvements cellulaires et la mise en forme du corps des vertébrés dans le chapitre 21 de la quatrième édition de la biologie moléculaire de la cellule , édité par Bruce Alberts (2002) publié par Garland Science.
    Le texte d'Alberts explique comment les «blocs de construction cellulaires» se déplacent pour former les embryons en développement. Il est également courant de décrire de petites molécules telles que les acides aminés comme des " blocs de construction moléculaires ".
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  4. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r  Cet article incorpore  le matériel du domaine public du document NCBI : "Qu'est-ce qu'une cellule?" . Récupéré le 3 mai 2013 . 30 mars 2004.
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Remarques

  1. ^ Une approximation faite pour quelqu'un qui a 30 ans, pèse 70 kilogrammes (150 lb) et mesure 172 centimètres (5,64 pieds). [5] L'approximation n'est pas exacte, cette étude a estimé que le nombre de cellules était de 3,72 ± 0,81 × 10 13 . [5]

Lectures complémentaires

  • Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P (2015). Biologie moléculaire de la cellule (6e éd.). Garland Science. p. 2. ISBN 9780815344322.
  • Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2014). Biologie moléculaire de la cellule (6e éd.). Guirlande. ISBN 9780815344322.; La quatrième édition est disponible gratuitement à partir du Centre national d'information sur la biotechnologie Bibliothèque.
  • Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipurksy SL, Darnell J (2004). Molecular Cell Biology (5e éd.). WH Freeman: New York, NY. ISBN 9780716743668.
  • Cooper GM (2000). La cellule: une approche moléculaire (2e éd.). Washington, DC: ASM Press. ISBN 9780878931026.

Liens externes

  • MBInfo - Descriptions sur les fonctions et processus cellulaires
  • MBInfo - Organisation cellulaire
  • Inside the Cell - un livret d'enseignement scientifique des National Institutes of Health , en PDF et ePub .
  • Cells Alive!
  • Biologie cellulaire dans "The Biology Project" de l' Université de l'Arizona .
  • Centre de la cellule en ligne
  • La bibliothèque d'images et de vidéos de l'American Society for Cell Biology , une collection d'images fixes évaluées par des pairs, de clips vidéo et de livres numériques illustrant la structure, la fonction et la biologie de la cellule.
  • Blog HighMag , images fixes de cellules issues d'articles de recherche récents.
  • Un nouveau microscope produit des films 3D éblouissants de cellules vivantes , 4 mars 2011 - Institut médical Howard Hughes .
  • WormWeb.org: Visualisation interactive de la lignée cellulaire de C. elegans - Visualisez l'ensemble de l'arbre de la lignée cellulaire du nématode C. elegans
  • Photomicrographies cellulaires