Structure cellulaire

Arrière-plan

Les cellules représentent les unités biologiques les plus fondamentales de tous les organismes, qu’il s’agisse d’organismes unicellulaires simples comme les bactéries, ou de grands organismes multicellulaires comme les éléphants et les séquoias géants. Au milieu^du 19 e siècle, la théorie cellulaire a été proposée pour définir une cellule, qui stipule :

• Chaque organisme vivant est composé d’une ou plusieurs cellules.
• Les cellules sont les unités fonctionnelles de tous les organismes.
• Toutes les cellules proviennent de cellules préexistantes.

Toutes les cellules partagent des caractéristiques communes telles que la présence d’une membrane plasmique, d’un cytoplasme, d’un ADN et de ribosomes. Une membrane plasmique est une bicouche phospholipidique qui entoure la cellule. Cette couche mince et fluide autour des cellules sert à isoler le contenu de la cellule de son environnement et régule l’échange de matière avec son environnement, tout en facilitant les interactions avec d’autres cellules. À l’intérieur de la membrane plasmique, la cellule est remplie d’un liquide semblable à un gel appelé cytoplasme qui contient des molécules organiques, des sels et d’autres matériaux essentiels aux fonctions de la cellule. Par conséquent, les réactions biochimiques qui soutiennent la vie, connues sous le nom de processus métaboliques, ont lieu à l’intérieur du cytoplasme. Les types de processus métaboliques qu’une cellule peut exécuter dépendent de son information génétique. Toutes les cellules utilisent l’ADN comme matériel génétique, qui est le modèle héréditaire pour construire les structures et les produits cellulaires. Enfin, toutes les cellules utilisent les ribosomes pour synthétiser leurs produits protéiques.

Il existe deux types de cellules en fonction de l’emplacement de leur matériel génétique : procaryote, qui signifie « avant le noyau », et eucaryote, qui signifie « vrai noyau ». Par conséquent, alors que les deux types d’organismes ont de l’ADN, les procaryotes comme les bactéries ont des nucléoïdes, ou des composants « semblables à un noyau » au lieu d’un noyau, tandis que les eucaryotes possèdent de véritables noyaux liés à une membrane pour contenir leur ADN. De plus, les procaryotes sont relativement petits, environ 0,1 à 5,0 micromètres (μm), par rapport aux eucaryotes qui peuvent généralement avoir une taille de 10 à 100 μm. La petite taille des procaryotes permet une distribution rapide et sans effort des matériaux dans la cellule et l’exécution des processus métaboliques, ainsi que l’élimination rapide des déchets ou d’autres produits de la cellule. Par conséquent, les cellules eucaryotes possèdent des structures spécialisées appelées organites, telles que les mitochondries ou l’appareil de Golgi, pour permettre l’exécution des fonctions vitales.

La cellule eucaryote

La cellule eucaryote est un trait dérivé partagé par tous les eucaryotes, ce qui signifie qu’elle avait une origine unique qui a depuis été héritée par tous les eucaryotes. Les premières cellules eucaryotes sont apparues dans des fossiles il y a environ 2,4 milliards d’années et sont reconnaissables parce qu’elles sont plus grandes que les cellules procaryotes¹. L’origine de ce type de cellule résulte d’un événement endosymbiotique dans lequel une cellule semblable à une amibe a englouti une bactérie micrococcique et a formé une coexistence stable². Les bactéries englouties ont évolué pour devenir les premiers organites producteurs d’énergie, les mitochondries, qui sont les organites du métabolisme aérobie dans la cellule. Les mitochondries ont leur propre génome séparé et sont de taille similaire à celle des procaryotes. Ils contiennent deux couches de membranes qui renferment deux compartiments distincts. Certaines des réactions qui décomposent les biomolécules de haute énergie se produisent dans le compartiment interne, tandis que le compartiment externe abrite les réactions qui capturent l’énergie libérée de ces composés dans les molécules d’adénosine triphosphate (ATP) à utiliser comme monnaie d’énergie de la cellule.

Les noyaux et les mitochondries ne sont pas les seules structures partagées par les cellules eucaryotes. D’autres organites eucaryotes omniprésents sont le réticulum endoplasmique (RE), lisse et rugueux, l’appareil de Golgi, les lysosomes et les vacuoles. Le réticulum endoplasmique signifie simplement « réseau à l’intérieur du plasma » et, comme son nom l’indique, il s’agit d’un grand réseau de membranes à l’intérieur de la cellule, en particulier autour du noyau. Certaines parties du RE rugueux s’étendent à partir de la membrane nucléaire et se distinguent du RE lisse par leur aspect rugueux dû à de nombreux ribosomes à leur surface. Le RE rugueux est le site de la synthèse des protéines, telles que les protéines qui sont intégrées dans la membrane plasmique ou les protéines qui sont sécrétées par la cellule. En revanche, le RE lisse produit des produits à base de lipides, mais contient également des enzymes pour détoxifier les produits chimiques nocifs. Par conséquent, les cellules hépatiques contiennent une quantité abondante de RE lisse. De plus, les cellules musculaires contiennent des quantités importantes de RE lisse en raison de la fonction de stockage du calcium de cet organite, qui est essentielle à la contraction musculaire. L’appareil de Golgi trie, modifie et emballe les produits cellulaires à l’intérieur de vésicules, qui fusionnent avec la membrane plasmique pour libérer les produits. Certaines des protéines produites dans le RE rugueux sont des enzymes digestives intracellulaires. Ces enzymes sont regroupées dans l’appareil de Golgi dans des vésicules spéciales appelées lysosomes. La fonction principale des lysosomes est de digérer les particules de nourriture englouties par la cellule ainsi que les anciennes parties cellulaires. Les vacuoles sont des sacs de membrane cellulaire qui servent d’unités de stockage dans les cellules. Ils peuvent servir à stocker de l’eau pour réguler la teneur en eau de la cellule ainsi qu’à stocker des produits métaboliques ou même des molécules toxiques, selon le type de cellule et l’organisme.

Organites spécifiques au règne

Les cellules eucaryotes ont également développé des organites distincts, spécifiques à chaque règne. Par exemple, les règnes Plantae et Animalia sont tous deux eucaryotes, mais les organites des cellules végétales et animales diffèrent de manière essentielle qui leur permet de mener leur vie en tant que producteurs et consommateurs, respectivement. Les plantes terrestres doivent pousser en hauteur et avoir des tiges rigides pour retenir les feuilles, qu’elles utilisent pour la photosynthèse. Ils doivent également être capables de retenir l’eau absorbée par les racines. Leurs cellules reflètent ces besoins spécifiques. Contrairement aux cellules animales, les cellules végétales ont des chloroplastes, qui sont utilisés pour la photosynthèse et contiennent souvent le pigment vert chlorophylle. De plus, ils sont entourés de parois cellulaires, qui sont des couches externes rigides en cellulose pour favoriser la croissance et la rétention d’eau. Parce qu’ils ont besoin de stocker de grandes quantités d’eau pour maintenir la pression de l’eau dans la cellule, ils ont des vacuoles plus grandes que les cellules animales. De plus, les cellules végétales ont également un autre type d’organites de stockage spécialisés appelés plastes, qui contiennent des pigments ainsi que des produits photosynthétiques tels que l’amidon. Ces différences sont perceptibles et distinguent les cellules végétales des cellules animales : les cellules végétales ont généralement une forme régulière et rectangulaire en raison de leurs parois cellulaires rigides, tandis que les cellules animales sont arrondies et plus irrégulières.

Microscopie

Certaines cellules, comme les ovocytes de grenouille, sont suffisamment grandes pour être vues à l’œil nu, mais la plupart des cellules ne peuvent pas être vues sans aucune aide visuelle. Par conséquent, les scientifiques utilisent des techniques de microscopie pour étudier les structures cellulaires et distinguer les types de cellules les uns des autres. Alors que les microscopes sont capables d’agrandir des objets difficiles ou impossibles à voir à l’œil humain, la plupart des tissus manquent naturellement de pigmentation. Par conséquent, des solutions ont été créées qui peuvent colorer sélectivement les cellules en fonction de leur composition moléculaire. Cela permet aux chercheurs de faire la distinction entre les organites d’une cellule, les types de tissus d’une tige de plante et les couches de graisse chez les animaux, pour ne citer que quelques exemples. Le colorant bleu de méthylène colore les acides nucléiques des cellules mortes, se liant à l’ADN chargé négativement. La solution de safranine est un autre colorant biologique qui colore les noyaux cellulaires en rouge. Les cellules n’ont besoin d’être dans les solutions de coloration que pendant une courte période de temps et peuvent être montées immédiatement après l’étape de coloration. Les techniques de montage couramment utilisées sont le montage humide et l’immersion dans l’huile. Un montage humide est créé en prélevant un échantillon et en le plaçant sur une lame de verre avec un liquide entre la lame et la lamelle. Les échantillons de cellules sont en suspension dans des liquides comme l’eau ou le glycérol. Il est préférable d’utiliser le glycérol avec des cultures vivantes, car il empêche la prolifération des bactéries³. De l’huile d’immersion peut être ajoutée sur la lamelle pour améliorer la visualisation de l’échantillon à fort grossissement. Ceci est accompli parce que l’huile a le même indice de réfraction que le verre, ce qui signifie qu’elle laisse passer la lumière à travers elle aussi bien que le verre. L’interface verre-air diffuse la lumière plus que l’huile ou le verre, de sorte que la clarté de l’image est affectée lorsque les échantillons sont montés « à sec » ou sans huile. Une fois que les cellules sont colorées et montées, elles sont prêtes à être étudiées au microscope.

Il existe diverses techniques de microscopie, de la technologie de balayage électronique qui a permis aux chercheurs de visualiser des objets au niveau atomique à l’imagerie fluorescente de cellules vivantes qui permet de surveiller en temps réel le mouvement des molécules à l’intérieur des cellules individuelles⁴. La microscopie à fond clair est la technique de microscopie la plus simple, ne nécessitant qu’une source lumineuse halogène, une lentille de condenseur pour focaliser la lumière, une lentille oculaire pour visualiser l’image et une lentille d’objectif pour agrandir l’image. Avec toute technique de microscopie, il est important de comprendre les parties d’un microscope avant d’en utiliser un. En général, les microscopes composés utilisés pour l’imagerie en fond clair ont un oculaire en haut de la lunette, qui est fixé à la tête et aux objectifs. L’oculaire a un grossissement de 10X, et les objectifs sont réglés sur un grossissement particulier dans une plage de 4X à 100X. Il y a entre trois et cinq objectifs sur un microscope standard. Les objectifs pointent vers la scène, c’est-à-dire l’endroit où un échantillon est placé pour être vu. La scène comporte souvent des pièces mécaniques et des clips de scène pour tenir une diapositive et la déplacer pendant la visualisation. Une ouverture est un trou dans la platine à travers lequel la lumière peut passer. Cette lumière est contrôlée par une lentille de condenseur réglable au-dessus d’un illuminateur ou d’une source lumineuse. Pour contrôler le zoom de la platine de l’objet visualisé, les microscopes sont équipés de boutons de réglage de la mise au point grossiers et fins. Le bouton de mise au point grossière se déplace à une plus grande échelle que la mise au point fine, mais ils sont sur le même axe. La mise au point fine est utile lorsque l’objet sur la scène a été rapproché des objectifs. Il est important de ne pas laisser la lentille de l’objectif toucher l’objet sur la scène, car elle peut rayer la lentille. Les objets doivent toujours être d’abord vus sur l’objectif de grossissement le plus faible et clairement mis au point avant de passer à des objectifs de grossissement plus élevé.

La microscopie est un outil important pour de nombreux aspects du domaine médical, notamment la recherche, le diagnostic et le traitement. Cela a l’application de l’utilisation de la nanotechnologie en médecine, en tant que nouvelle méthode de traitement à la place d’une chirurgie plus invasive⁵. Les chirurgiens utilisent également des microscopes, dont certains ont été modifiés pour être montés sur la tête d’un chirurgien et sont actionnés avec des pédales. Ceux-ci ont un grossissement beaucoup plus faible que les microscopes optiques utilisés aujourd’hui, mais ils facilitent l’exécution en toute sécurité de procédures délicates, telles que l’optique et la neurochirurgie.

Références

1. Bengtson S., Rasmussen B., Ivarsson M., Mühling J., Broman C., Marone F., Stampanoni M., Bekker A. Fossiles mycéliens ressemblant à des champignons dans un basalte vésiculeux vieux de 2,4 milliards d’années. Nature, écologie et évolution. 2017, Vol. 1, Numéro d’article : 0141.
2. Vellai T, Vida G. L’origine des eucaryotes : la différence entre les cellules procaryotes et eucaryotes. Proc. R. Soc. Lond. B. 1999, vol. 266, 1571-1577.
3. Gouet V, Roger G, Fonty C, André P. Effets du glycérol sur la croissance, l’adhésion et l’activité cellulolytique des bactéries cellulolytiques du rumen et des champignons anaérobies. Microbiologie actuelle. 24, 1992, vol. 4, 197-201.
4. Cognet L, Leduc C, Lounis B. Progrès dans le suivi des particules uniques sur cellules vivantes et l’imagerie dynamique à super-résolution. Curr Opin Chem Biol. 2014, juin ; 20:78-85.
5. Asiyanbola B, Soboyejo W. Pour le chirurgien : une introduction aux nanotechnologies. J Surg Educ. 2008, vol. 65, 2 (155-61).