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Une structure complexe : la cellule vivante

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Introduction :

Nous savons que la matière organique est composée d’atomes caractéristiques, c’est-à-dire essentiellement d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène. Ces atomes s’assemblent de manière ordonnée pour former des molécules organiques.

Au niveau microscopique, ces molécules organiques s’associent entre elles pour former la structure de base de tous les êtres vivants : la cellule.

Dans une première partie, nous porterons notre attention sur les avancées technologiques qui ont permis d’observer ces cellules et de mettre en évidence les composants intracellulaires. Ensuite, nous étudierons la relation entre la composition des molécules organiques et la structure qui délimite ces cellules, à savoir la membrane plasmique.

L’observation des cellules

Les cellules sont des structures microscopiques. En conséquence, il est en général impossible de les observer à l’œil nu.

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Définition

Cellule :

Une cellule est une structure organique délimitée par une membrane plasmique qui permet de séparer son contenu (organites répartis dans le cytoplasme) du milieu extérieur.

Les connaissances sur les cellules ont évolué au gré des progrès scientifiques, notamment grâce aux avancées réalisées dans la fabrication de lentilles optiques complexes.

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Définition

Lentille optique :

La lentille optique est un composant capable de modifier la propagation des rayons lumineux. Observé à travers une lentille optique, les objets étudiés paraîtront plus petits ou plus grands.

Le microscope optique

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Définition

Microscope :

Un microscope est un instrument d'optique permettant d'obtenir une image agrandie d'un objet petit et proche.

microscope van Leeuwenhoek

Dans les années 1650, le naturaliste Antonie van Leeuwenhoek construit son premier microscope. Cet appareil rudimentaire, car formé d’une seule lentille grossissante, lui a permis d’observer les premières cellules végétales.
Ces observations étaient de bonne qualité, car les structures étudiées avaient des tailles assez importantes, de l’ordre de 100 micromètres, ce qui équivaut 0,1 millimètres (limite de ce que peut voir l’œil).

Par la suite, les naturalistes ont l’idée d’associer plusieurs lentilles dans un seul microscope : on parle de microscope à lentilles multiples). Ce procédé permet d’augmenter les grossissements et la netteté des observations.
Ainsi, les premières bactéries sont caractérisées à la fin du XIXe siècle ; leur découverte a été plus tardive que celle des cellules végétales, car la taille des cellules bactériennes varie entre 0,1 et 1 micromètre. En d’autres termes, elles sont en général 100 à 1 000 fois plus petites que les cellules végétales.

Depuis, les microscopes ont subi de multiples améliorations. Actuellement, des observations en 3D sont possibles et un seul microscope permet d’effectuer des observations à différents grossissements.

microscope optique lentille simple Microscope optique utilisé à la fin du XIXe siècle (lentille simple), ©Rama

Alt texte Microscope optique utilisé actuellement (lentilles multiples), ©Sarah Greenwood

Le microscope électronique en transmission (MET)

La technologie du microscope électronique n’est pas basée sur l’utilisation de lentilles : l’échantillon est balayé par des ondes et, en fonction du comportement de celles-ci, un ordinateur est capable de créer une image.
Le MET peut réaliser des grossissements très importants, qui peuvent aller jusqu’à 100 000 fois, c’est-à-dire 1 000 fois plus que les microscopes optiques.

L’avantage de cette technologie est que les scientifiques sont alors capables d’observer l’ultrastructure de la cellule, c’est-à-dire ce qu’elle contient.

Microscope électronique à transmission MET Microscope électronique à transmission (MET), ©Cjp24

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À retenir

Grâce aux évolutions technologiques, nos connaissances microscopiques se sont améliorées : les cellules, puis leur contenu ont pu être observés, ce qui a permis de mieux comprendre leur fonctionnement.

De puissants microscopes ont mis ainsi en évidence la présence des organites.

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Définition

Organite :

Un organite est un compartiment intracellulaire qui assure une fonction précise. On distingue une multitude d’organites, tels que les mitochondries qui assurent la respiration ou les chloroplastes qui assurent la photosynthèse.

Les avancées scientifiques et technologiques ont donc permis de passer de l’échelle macroscopique à celle de l’ultrastructure cellulaire.

observation cellules ultrastructure

L’observation des cellules a permis de mettre en évidence un point commun entre tous les êtres vivants, qu’il s’agisse d’êtres humains, d’animaux, de végétaux ou de micro-organismes : tous sont constitués d’au moins une cellule.
Cette unicité structurale n’est pas liée au hasard : toutes les cellules dérivent d’une cellule ancestrale unique, ce qui valide la théorie de l’évolution.

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À retenir

En d’autres termes, l’observation et l’étude des cellules ont permis de constater l’unicité du monde du vivant et d’affirmer que tous les êtres vivants ont ainsi une origine commune.

La structure particulière des membranes cellulaires

Composition lipidique

La membrane plasmique est essentiellement composée d’acides gras, c’est-à-dire des lipides.
Un acide gras est une longue molécule bipolaire : il possède un pôle hydrophile et une queue hydrophobe.

Acide gras eau membrane plasmique

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À retenir

En présence d’eau, les acides gras s’associent entre eux pour que leur queue hydrophobe ne soit pas en contact avec l’eau.

Une membrane plasmique est formée de deux couches d’acides gras. C’est cette bicouche lipidique qui forme la structure de base de la membrane plasmique d’une cellule.

membrane plasmique composition lipidique acides gras

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À retenir

La structure particulière de la membrane plasmique est liée aux propriétés particulières des acides gras qui la composent. Ceux-ci confèrent à la membrane son étanchéité.

Composition protéique

Les protéines sont formées d’une succession d’acides aminés dont l’ordre est codé par l’ADN.

membrane plasmique composition protéines acides gras

Les protéines s’insèrent entre les lipides de la bicouche.
Elles peuvent s’insérer de différentes façon dans la membrane plasmique : elle peuvent traverser la membrane de part en part et former ainsi des canaux (qui pourront laisser passer des molécules), mais elles peuvent aussi s’insérer dans une partie seulement de la membrane et former des récepteurs (qui pourront fixer par exemple une hormone).
De cette manière, ces protéines vont conférer de nouvelles fonctions aux membranes.

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À retenir

La membrane plasmique cellulaire a donc à la fois pour fonction d’isoler la cellule en formant une barrière étanche (acides gras), mais aussi de lui permettre d’interagir avec son milieu extérieur (protéines).

Conclusion :

Grâce à l’amélioration des technologies, les cellules ont pu être caractérisées formellement, car elles ont pu être directement observées. Ainsi, leur existence, qui n’était jusque-là qu’une modélisation, a pu être validée.

La composition moléculaire du vivant est à l’origine de la forme des cellules : ainsi, c’est grâce au comportement particulier des lipides que sont générées les membranes plasmiques.
La membrane plasmique délimite un milieu intérieur qui comporte un grand nombre de compartiments (organites) qui vont assurer des fonctions bien spécifiques.