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La cellule
La cellule est la plus petite unité structurale et fonctionnelle du vivant : tout organisme est formé d’une ou de plusieurs cellules, et toute cellule naît d’une cellule préexistante.
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Une bactérie est une cellule unique ; un être humain en compte environ 30 000 milliards, spécialisées en plus de 200 types (neurones, globules rouges, cellules musculaires…). Malgré cette diversité, toutes les cellules partagent la même organisation de base : une membrane qui les délimite, un cytoplasme où se déroulent les réactions chimiques, et un matériel génétique, l'ADN, qui porte les instructions nécessaires à leur fonctionnement et à leur reproduction.
La théorie cellulaire : une découverte du XIXe siècle
L’idée que le vivant est fait de cellules est l’aboutissement de deux siècles d’observations au microscope.
| Date | Découverte |
|---|---|
| 1665 | Robert Hooke observe des « cellules » dans une lamelle de liège (Micrographia) : il ne voit que des parois vides. |
| 1674-1683 | Antoni van Leeuwenhoek décrit les premiers micro-organismes vivants, dont des bactéries. |
| 1838-1839 | Matthias Schleiden (plantes) puis Theodor Schwann (animaux) affirment que tous les êtres vivants sont formés de cellules. |
| 1855 | Rudolf Virchow complète : omnis cellula e cellula, « toute cellule provient d’une cellule ». |
| 1967 | Lynn Margulis défend la théorie endosymbiotique de l’origine des mitochondries et des chloroplastes. |
La théorie cellulaire tient en trois propositions : tout être vivant est constitué de cellules ; la cellule est l’unité de base de la structure et du fonctionnement du vivant ; toute cellule provient de la division d’une autre cellule. Elle a mis fin à l’idée de génération spontanée, définitivement réfutée par les expériences de Louis Pasteur dans les années 1860.
Cellules procaryotes et eucaryotes
Le vivant se divise en deux grands types de cellules, selon la présence ou non d’un noyau.
| Caractère | Procaryote | Eucaryote |
|---|---|---|
| Noyau | Absent : ADN libre dans le cytoplasme (nucléoïde) | Présent, entouré d’une double membrane |
| Taille typique | 1 à 10 µm | 10 à 100 µm |
| Organites membranaires | Aucun | Mitochondries, réticulum, Golgi, etc. |
| ADN | Généralement un chromosome circulaire + plasmides | Plusieurs chromosomes linéaires |
| Ribosomes | 70S | 80S (70S dans mitochondries et chloroplastes) |
| Organismes | Bactéries, archées | Animaux, plantes, champignons, protistes |
| Apparition | Il y a au moins 3,5 milliards d’années | Il y a environ 2 milliards d’années |
Les procaryotes sont presque toujours unicellulaires. Les eucaryotes peuvent être unicellulaires (levure, paramécie, amibe) ou pluricellulaires. Les virus, eux, ne sont pas des cellules : ils n’ont ni métabolisme propre ni capacité de se reproduire seuls.
Les constituants d’une cellule eucaryote
La membrane plasmique
Fine enveloppe (environ 7 à 10 nanomètres) formée d’une double couche de phospholipides dans laquelle sont insérées des protéines. Elle est semi-perméable : elle laisse passer certaines molécules (eau, oxygène, CO2) et en contrôle d’autres grâce à des canaux et des transporteurs. Elle porte aussi des récepteurs qui captent les signaux (hormones, neurotransmetteurs).
Le noyau
Il contient l’ADN organisé en chromosomes et dirige l’activité de la cellule en contrôlant quels gènes sont exprimés. L’enveloppe nucléaire est percée de pores par lesquels sortent les ARN messagers. Le nucléole, à l’intérieur, fabrique les ribosomes.
Le cytoplasme et le cytosquelette
Le cytoplasme est le milieu interne, un gel aqueux (le cytosol) où baignent les organites. Le cytosquelette, réseau de filaments protéiques, donne sa forme à la cellule, permet ses déplacements et guide le transport interne.
Les organites
| Organite | Rôle |
|---|---|
| Mitochondrie | Produit l’essentiel de l’énergie (ATP) par la respiration cellulaire ; possède son propre ADN |
| Ribosome | Assemble les protéines à partir de l’ARN messager |
| Réticulum endoplasmique rugueux | Couvert de ribosomes, synthétise et replie les protéines destinées à être exportées |
| Réticulum endoplasmique lisse | Synthèse des lipides, détoxication, stockage du calcium |
| Appareil de Golgi | Modifie, trie et expédie les protéines et lipides |
| Lysosome | Digère les déchets et les éléments usés grâce à des enzymes |
| Peroxysome | Dégrade certains acides gras et neutralise le peroxyde d’hydrogène |
| Chloroplaste (plantes) | Réalise la photosynthèse ; possède son propre ADN |
| Vacuole (surtout plantes) | Stocke l’eau, des ions et des pigments ; maintient la turgescence |
Cellule animale et cellule végétale
Les deux sont eucaryotes et partagent noyau, mitochondries, ribosomes, réticulum et Golgi. Trois structures distinguent la cellule végétale :
- une paroi rigide de cellulose autour de la membrane, qui lui donne une forme polygonale ;
- des chloroplastes, siège de la photosynthèse ;
- une grande vacuole centrale pouvant occuper jusqu’à 90 % du volume.
La cellule animale, sans paroi, a une forme plus variable ; elle possède des centrioles (absents chez la plupart des plantes) et parfois des cils ou un flagelle.
Comment fonctionne une cellule
Une cellule vivante accomplit en permanence quatre grandes fonctions :
- Se nourrir et produire de l’énergie : elle absorbe des nutriments et les oxyde dans ses mitochondries pour produire de l’ATP, la « monnaie énergétique » de la cellule.
- Fabriquer ses molécules : l’information d’un gène est copiée en ARN messager (transcription), puis traduite en protéine par les ribosomes (traduction).
- Communiquer : elle reçoit des signaux chimiques ou électriques et y répond (sécrétion, contraction, division, mort programmée).
- Se reproduire : elle copie son ADN puis se divise.
La division cellulaire : mitose et méiose
| Mitose | Méiose | |
|---|---|---|
| Cellules concernées | Cellules du corps (somatiques) | Cellules germinales, pour produire les gamètes |
| Nombre de divisions | Une | Deux successives |
| Cellules obtenues | 2 cellules identiques | 4 cellules différentes |
| Chromosomes (humain) | 46 → 46 | 46 → 23 |
| Rôle | Croissance, renouvellement, réparation | Reproduction sexuée, brassage génétique |
La mitose se déroule en quatre phases (prophase, métaphase, anaphase, télophase), précédées de l’interphase pendant laquelle l’ADN est répliqué. Le cycle est étroitement contrôlé : lorsqu’une cellule échappe à ces contrôles et se divise sans fin, elle peut être à l’origine d’un cancer. À l’inverse, l'apoptose est une mort cellulaire programmée qui élimine les cellules endommagées ou inutiles.
Quelques chiffres sur les cellules humaines
| Donnée | Valeur |
|---|---|
| Nombre de cellules humaines dans le corps | environ 30 000 milliards (estimation de 2016) |
| Bactéries hébergées (surtout dans l’intestin) | environ 38 000 milliards |
| Part des globules rouges | près de 85 % des cellules humaines en nombre |
| Plus grosse cellule | l’ovule, environ 0,1 mm, visible à l’œil nu |
| Plus longue cellule | certains neurones moteurs, jusqu’à environ 1 m |
| Durée de vie d’un globule rouge | environ 120 jours |
| Durée de vie d’une cellule de l’intestin | quelques jours |
Les bactéries hébergées par l’organisme forment notamment le microbiote intestinal.
Cellules souches et spécialisation
Toutes les cellules d’un individu possèdent le même ADN, mais elles n’en expriment pas les mêmes gènes : c’est la différenciation. Les cellules souches sont des cellules non spécialisées capables de se diviser et de donner naissance à d’autres types cellulaires. On distingue les cellules souches embryonnaires (pluripotentes, capables de produire tous les tissus) et les cellules souches adultes (moelle osseuse, peau, intestin), plus limitées. En 2006, Shinya Yamanaka a montré qu’on pouvait reprogrammer des cellules adultes en cellules pluripotentes (cellules iPS), ce qui lui a valu le prix Nobel de médecine 2012 avec John Gurdon.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre une cellule et un organe ?
Des cellules semblables forment un tissu (musculaire, nerveux, épithélial, conjonctif) ; plusieurs tissus forment un organe (cœur, foie) ; plusieurs organes forment un appareil ou système (digestif, circulatoire). La cellule est le premier niveau de cette organisation.
Un virus est-il une cellule ?
Non. Un virus est une particule composée d’un matériel génétique (ADN ou ARN) entouré d’une coque de protéines. Il ne produit pas d’énergie et ne peut se multiplier qu’en détournant la machinerie d’une cellule hôte.
Combien de temps vit une cellule ?
Cela dépend du type : quelques jours pour les cellules de la paroi intestinale, environ quatre mois pour un globule rouge, toute la vie pour la plupart des neurones du cortex et les cellules du cristallin.
Pourquoi les cellules sont-elles si petites ?
Parce que les échanges avec l’extérieur se font par la membrane. Quand une cellule grossit, son volume augmente plus vite que sa surface : au-delà d’une certaine taille, elle ne pourrait plus s’approvisionner ni évacuer ses déchets assez vite.