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Les êtres vivants pluricellulaires et la spécialisation des cellules

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Introduction :

Tous les êtres vivants sont constitués d’au moins une cellule, la plus petite unité qui manifeste les propriétés d’un être vivant. Elle est en mesure de synthétiser l’ensemble ou presque de ses constituants en utilisant les éléments du milieu, de croître et de se multiplier. Certains organismes ne sont constitués que d’une seule cellule, d’autres comme l’être humain en comprennent énormément.
Nous allons décrire la structure interne de différents types de cellules et nous étudierons la manière dont elles fonctionnent, notamment comment elles communiquent avec leur environnement, croissent et se reproduisent. Nous nous demanderons également ce qui déclenche la spécialisation de certaines cellules. Pour ce faire, nous verrons dans un premier temps la répartition du vivant entre êtres uni et pluricellulaires, puis nous distinguerons les cellules procaryotes des eucaryotes ; enfin, nous analyserons l’origine des caractères héréditaires.

Êtres vivants uni ou pluricellulaires

Lorsqu’ils sont composés d’une seule cellule, les organismes sont dits unicellulaires. Les autres sont donc nommés multi ou pluricellulaires.

IMG01 Exemple d’unicellulaires et de pluricellulaires

Un organisme multi ou pluricellulaire est composé de plusieurs cellules différenciées. On retrouve parmi les organismes pluricellulaires les animaux et les plantes. On retrouve parmi les organismes unicellulaires les levures et les bactéries.

Cellules observées au microscope

Généralement non observables à l’œil nu, les cellules peuvent être étudiées au microscope optique. Celui-ci permet d’observer des cellules animales, végétales ou encore des cellules de champignons mesurant entre 10 et 100 micromètres (1 micromètre = 0,1 millimètre). Mais certaines cellules comme les bactéries sont plus petites (environ 1 micromètre) et difficilement observables en microscopie optique, il faut alors utiliser un microscope dit « électronique ».

testicule de rat cellule animale microscope optique Exemple de cellule animale observée au microscope optique : cellule de testicule de rat ©LauraHauc

feuille élodée canada cellule végétale microscope optique Exemple de cellule végétale observée au microscope optique : feuillé d’élodée du Canada ©tooony

Structure de la cellule animale

Variées dans leur forme et leur taille, les cellules de notre organisme présentent des caractéristiques communes :

  • une membrane cytoplasmique qui délimite et protège la cellule ; sa structure permet des échanges entre les milieux intracellulaires (à l’intérieur de la cellule) et extracellulaires (à l’extérieur de la cellule) ;
  • un cytoplasme, sorte de gelée visqueuse qui contient les organites cellulaires (comme la mitochondrie par exemple) permettant le fonctionnement de la cellule ainsi que des substances indispensables à la vie ;
  • un noyau, délimité lui aussi par une membrane (nucléaire cette fois-ci), qui contrôle l’activité cellulaire et est le lieu de stockage de l’information génétique.

IMG04 Caractéristique de la cellule animale

La plupart des êtres vivants pluricellulaires sont composés en quasi-totalité de cellules possédant un noyau. C’est loin d’être le cas pour les organismes unicellulaires. Une autre classification des êtres vivants peut donc être faite, selon que leurs cellules possèdent ou non un noyau.

Organismes procaryote et eucaryote

Toute cellule contient de l’ADN, la molécule de l’hérédité.

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Définition

ADN :

ADN est l’acronyme d’Acide DésoxyriboNucléique, il s’agit de la molécule support de l'information génétique héréditaire, formée d’un enchaînement ordonné de nucléotides. On dit donc que l’ADN est un polynucléotide.

Nucléotide :

Chaque nucléotide de l’ADN est constitué de trois éléments principaux : un groupe phosphate, un sucre composé de cinq atomes de carbone qu’on nomme pentose et une base azotée. Il existe quatre bases azotées dont l’ordre au sein du polynucléotide forme un code qui permet de stocker l’information.

IMG05 Schéma d’un nucléotide

Cellules procaryotes

Chez les procaryotes, la majeure partie du matériel génétique réside dans une seule molécule circulaire d’ADN, située directement dans le cytoplasme de la cellule.

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Définition

Cellule procaryote :

Dépourvue de noyau, une cellule procaryote contient un seul compartiment, le cytoplasme, dans lequel on retrouve un chromosome ou une molécule d’ADN.

La bactérie intestinale Escherichia Coli, ou encore les algues bleues, sont des organismes composés de cellules procaryotes.

IMG06 Schéma d’une cellule procaryote

Cellules eucaryotes

Chez les eucaryotes, l’ADN est contenu dans un noyau qui est entouré d’une double membrane, appelée enveloppe nucléaire.

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Définition

Cellule eucaryote :

La cellule eucaryote possède un noyau, compartiment qui contient l’ADN et qui est séparé du reste du contenu cellulaire par une membrane nucléaire. L’oignon, ou encore le triton, sont des organismes composés de cellules eucaryotes.

IMG07 L’ADN d’une cellule eucaryote ©Sponk

Le cytoplasme est la région fonctionnelle de la cellule à l’intérieur de la membrane et à l’extérieur du noyau. On note la présence de différents organites qui permettent à la cellule d’assurer ses fonctions : les mitochondries, l’appareil de Golgi, les ribosomes, le réticulum endoplasmique.

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Définition

Organite :

Un organite est un compartiment différencié contenu dans les cellules eucaryotes et qui a des fonctions bien précises.

Le noyau est le plus important des organites contenus dans la cellule eucaryote mais il en existe d’autres.

Lorsqu’une cellule donne naissance à une autre, elle transmet une partie de son cytoplasme, de ses organites et de son information génétique.

Origine des caractères héréditaires

Information génétique et ADN

Le noyau contient l’information génétique transmise de génération en génération grâce aux molécules d’ADN porteuses de nos gènes, condensées sous forme de chromatine puis de chromosomes (23 paires, donc 46 chromosomes dans l’espèce humaine), pendant la mitose.

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Définition

Chromatine :

Composée d’ADN et de protéines, la chromatine est un enroulement compact de chromosomes se formant lors de la division de la cellule.

Chromosome :

C’est un élément microscopique constitué d’une molécule filiforme très longue d’ADN présente sous forme de double hélice et formée d’une succession de nucléotides.

L’ensemble des 46 chromosomes, classés et rangés par paires et par tailles décroissantes, constituent le caryotype établi à partir de cellules observées au cours de la division.

IMG08 Un caryotype humain, composé de 23 paires de chromosomes

Parmi ces 23 paires de chromosomes, on retrouve 22 paires homologues et 1 paire de chromosomes sexuels, qui permettront de déterminer le sexe de l’individu. Chez un homme, les chromosomes sexuels sont YX, chez une femme XX.

Les caractères héréditaires sont déterminés par une information génétique située sur des portions de chromosomes appelées gènes. Le génome (l’ensemble des gènes) humain contient plus de 30 000 gènes.

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Définition

Gène :

C’est une portion d’ADN qui correspond à une information génétique particulière transmettant un caractère héréditaire précis.

Chaque chromosome étant en paire, chaque gène est également présent en double dans nos cellules. Ces deux copies d’un même gène, appelées « allèles », sont le plus souvent différentes : une d’origine paternelle et une d’origine maternelle.

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Définition

Allèle :

Désigne chacune des versions possibles d’un même gène. Les allèles occupent la même position sur les chromosomes homologues d’une paire. Ces deux copies d’un même gène, appelées « allèles », sont le plus souvent différentes : une d’origine paternelle et une d’origine maternelle. On trouve des allèles dominants, récessifs ou co-dominants.

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Exemple

Le gène responsable du groupe sanguin occupe l'extrémité basse de la 9e paire de chromosomes, et celui responsable de la pigmentation de la peau et des yeux est situé dans l'extrémité haute de la même paire de chromosomes.

IMG09 Gène du 9e chromosome

Le cycle cellulaire

Comme nous l’avons vu, tous les organismes sont constitués de cellules. Un adulte humain en possède environ 100 000 milliards, toutes originaires de la cellule-œuf, produit de la fécondation des cellules reproductrices parentales. Le cycle de vie des cellules (appelé cycle cellulaire) comprend deux phases : la mitose et l’interphase.

  • La mitose est la division des cellules non-sexuelles. Une cellule mère se divise en deux cellules filles identiques entre elles et identiques à la cellule mère. C’est cette phase qui permet  :
  • la croissance d’un organisme de la cellule-œuf à l’adulte ;
  • ainsi que le renouvellement des cellules durant toute la vie de l’organisme.
  • L’interphase est composée de 3 phases : G1, S et G2 et c’est durant l’interphase que le matériel génétique est doublé. En effet, la cellule mère scindée en deux cellules filles répartit équitablement dans chaque cellule son matériel génétique qui devra se reformer en double comme dans la cellule initiale (cellule mère). La mitose peut ensuite recommencer.

La différenciation des cellules animales

Par la différenciation, les cellules se spécialisent dans une fonction en acquérant un type particulier. Ainsi, on trouvera les cellules cutanées, les cellules osseuses, les cellules musculaires (la motricité), les cellules sanguines et les cellules nerveuses. Les cellules non différenciées, appelées « cellules souches » conservent leur capacité à se diviser pour maintenir un stock de cellules souches dont une partie se différenciera. La cellule-œuf est une cellule souche totipotente (elle peut se différencier dans n’importe quel type cellulaire. D’autres cellules souches ne peuvent se différencier qu’en certains types cellulaires spécifiques (par exemple les cellules souches de la moelle osseuse pourront donner les différentes cellules sanguines).

Chez les animaux, une cellule différenciée ne peut revenir en arrière et conservera sa spécialisation tout au long de son cycle. Chez les végétaux en revanche, les cellules différenciées peuvent redevenir indifférenciées et ainsi donner naissance à des cellules différenciées avec une autre fonction. C’est pour cette raison qu’on peut obtenir une plante complète à partir d’une partie de cette plante (c’est ce qu’il se passe lorsqu’on fait des boutures), mais qu’il est impossible d’obtenir un humain complet à partir d’un bras ou d’une jambe.

Conclusion :

Qu’ils soient uni ou pluricellulaires, tous les êtres vivants sont constitués d’au moins une cellule. Cette dernière possède une structure complexe et renferme l’information génétique dans son noyau, ou directement dans son cytoplasme dans le cas de certains être unicellulaires.