Organisation fonctionnelle de la cellule

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

Le principe de la compartimentation

Une cellule eucaryote est divisée par des membranes en compartiments distincts. Chaque compartiment possède sa composition ionique, son pH, son équipement enzymatique propre, donc sa fonction dominante. On parle de régionalisation des fonctions.

Les intérêts sont au nombre de quatre, et il faut savoir les argumenter. Séparer des activités incompatibles, par exemple la dégradation hydrolytique et la synthèse. Concentrer réactifs et enzymes dans un petit volume, ce qui augmente les vitesses de réaction. Créer et maintenir des gradients de part et d'autre d'une membrane, ce qui constitue une réserve d'énergie utilisable. Multiplier les surfaces membranaires, support de nombreuses activités, notamment des chaînes de transport d'électrons.

Les contraintes sont symétriques. Il faut acheminer chaque molécule vers le bon compartiment, donc disposer d'un adressage. Il faut des transporteurs spécifiques dans chaque membrane. Il faut des flux vésiculaires coûteux en énergie. Et une fonction complexe exige souvent la coopération de plusieurs compartiments, ce qui allonge les chaînes de production.

Aucun compartiment ne fonctionne seul, et c'est le second message du chapitre : les compartiments coopèrent.

Les compartiments à reconnaître

Le noyau est délimité par une enveloppe formée de deux membranes séparées par un espace, percée de pores nucléaires. Il contient le matériel génétique sous forme de chromatine. En microscopie électronique, on distingue l'hétérochromatine, dense aux électrons et compactée, de l'euchromatine, plus claire et décondensée, l'expression des gènes étant associée à cette dernière. Le nucléole est une région dense dépourvue de membrane, lieu de synthèse des ARN ribosomiques et d'assemblage des sous-unités des ribosomes. L'enveloppe nucléaire est en continuité avec le réticulum endoplasmique.

Le réticulum endoplasmique est un réseau de saccules et de tubules aplatis. Sa portion granuleuse porte des ribosomes sur sa face cytosolique et assure la synthèse des protéines destinées à la sécrétion, aux membranes ou à certains organites. Sa portion lisse, dépourvue de ribosomes, intervient notamment dans le métabolisme des lipides.

L'appareil de Golgi est un empilement de saccules aplatis, polarisé, avec une face d'entrée qui reçoit les vésicules issues du réticulum et une face de sortie d'où bourgeonnent les vésicules à destination de la membrane plasmique ou d'autres compartiments. Il assure la maturation et le tri des protéines, en particulier les glycosylations.

Les vésicules de sécrétion transportent le contenu destiné à sortir de la cellule et fusionnent avec la membrane plasmique.

Les lysosomes sont des vésicules à contenu acide riches en enzymes hydrolytiques, qui dégradent les molécules apportées par endocytose ou les constituants cellulaires usés. Chez la cellule végétale, une grande vacuole centrale remplit des fonctions comparables de stockage et de dégradation, en plus de son rôle osmotique dans la turgescence.

La mitochondrie est limitée par deux membranes. La membrane externe est lisse, la membrane interne est repliée en crêtes qui augmentent sa surface, et elle délimite la matrice. C'est le siège du catabolisme oxydatif aérobie.

Le chloroplaste, présent chez les cellules chlorophylliennes, est également limité par deux membranes. Il contient un stroma dans lequel baigne un troisième système membranaire, les thylakoïdes, souvent empilés en grana. C'est le siège de la photosynthèse.

La membrane plasmique délimite la cellule et contrôle les échanges avec le milieu.

Les membranes délimitent des compartiments distincts ; les ribosomes du réticulum sont situés sur sa face cytosolique. Les vésicules relient les étapes de transport entre réticulum, Golgi et membrane plasmique. Le dessin est un repère de compartimentation : il ne représente ni toutes les structures, ni leurs proportions réelles.

L'information génétique dans plusieurs compartiments

Un point souvent demandé. Le support de l'information génétique n'est pas seulement nucléaire. La mitochondrie possède son propre ADN, circulaire, ainsi que des ribosomes, et le chloroplaste également. Ces deux organites synthétisent donc une partie de leurs protéines, le reste étant codé par le génome nucléaire et importé. Cette observation est cohérente avec l'existence d'une double membrane et avec la taille bactérienne de ces organites.

La cellule bactérienne

La cellule bactérienne est procaryote. Son matériel génétique n'est pas enfermé dans un noyau : il occupe une région du cytoplasme appelée nucléoïde. Il consiste en un chromosome unique et circulaire, auquel peuvent s'ajouter des plasmides, petites molécules d'ADN circulaires indépendantes du chromosome.

Le cytoplasme est généralement peu compartimenté. Il contient des ribosomes, plus petits que ceux du cytosol des Eucaryotes.

L'enveloppe comporte une paroi de peptidoglycanes, dont le détail des monomères est hors programme, et une ou deux membranes. Cette différence fonde la coloration de Gram. Une bactérie à Gram positif possède une paroi épaisse de peptidoglycanes à l'extérieur d'une unique membrane et retient le colorant violet. Une bactérie à Gram négatif possède une paroi fine prise entre la membrane plasmique et une membrane externe supplémentaire, ne retient pas le colorant violet et apparaît rose après contre-coloration. Escherichia coli et Rhizobium sont des bactéries à Gram négatif.

Le schéma d'ultrastructure d'une bactérie doit faire apparaître, de l'extérieur vers l'intérieur, l'éventuelle membrane externe, la paroi de peptidoglycanes, la membrane plasmique, puis le cytoplasme avec le nucléoïde, les ribosomes et éventuellement des plasmides, ainsi que les appendices éventuels comme un flagelle.

Le cytosquelette

Les cellules possèdent un squelette interne dynamique. Chez les Eucaryotes, il repose sur trois catégories de structures protéiques fibrillaires.

Les microfilaments d'actine sont les plus fins, de l'ordre de sept nanomètres de diamètre. Ils résultent de la polymérisation d'une protéine globulaire et sont très dynamiques. Ils interviennent dans le soutien des expansions membranaires, dans l'ancrage de certaines jonctions et dans les mouvements du cytoplasme.

Les microtubules sont les plus épais, de l'ordre de vingt-cinq nanomètres, creux, formés de tubuline. Ils sont également dynamiques et servent de rails orientés pour le transport intracellulaire, notamment le transport de vésicules.

Les filaments intermédiaires ont un diamètre de l'ordre de dix nanomètres. Ils sont plus stables que les deux autres catégories et assurent une fonction mécanique de résistance, par exemple dans l'ancrage des desmosomes et dans le soutien de l'enveloppe nucléaire.

Les rôles doivent être illustrés sur les exemples imposés. Dans l'entérocyte, un faisceau de microfilaments d'actine occupe l'axe de chaque microvillosité et lui donne sa rigidité, une ceinture d'actine est associée aux jonctions près du pôle apical, des filaments intermédiaires structurent l'enveloppe nucléaire et s'ancrent aux desmosomes, et les microtubules guident les flux vésiculaires entre les compartiments. Dans la cellule du parenchyme palissadique, le cytosquelette est responsable de la cyclose, mouvement du cytoplasme qui entraîne les chloroplastes et facilite les échanges dans une cellule occupée par une grande vacuole, et il participe à l'orientation du dépôt des microfibrilles de cellulose dans la paroi.

Le cytosquelette des bactéries repose sur des protéines homologues de celles des Eucaryotes, mais seul le cytosquelette eucaryote est détaillé au niveau moléculaire.

Les trois flux qui traversent la cellule

La cellule est un système ouvert traversé par trois flux, et le programme demande de les argumenter sur les trois exemples de référence.

Le flux de matière correspond à l'entrée de molécules, à leur transformation et à la sortie de produits et de déchets. Dans l'entérocyte, les nutriments entrent au pôle apical et sortent au pôle basolatéral. Dans la cellule du parenchyme palissadique, le dioxyde de carbone et l'eau entrent, les photosynthétats sont exportés. Chez Escherichia coli, les nutriments du milieu entrent et les produits de fermentation sortent.

Le flux d'énergie correspond à la conversion d'une forme d'énergie en une autre. L'entérocyte prélève de l'énergie chimique dans les nutriments et la convertit en ATP dans ses mitochondries. La cellule chlorophyllienne convertit l'énergie lumineuse en énergie potentielle chimique dans ses chloroplastes. La bactérie convertit l'énergie de ses substrats. Dans tous les cas, une partie de l'énergie est dissipée sous forme thermique.

Le flux d'information correspond à la réception de signaux du milieu, à leur transmission dans la cellule et à la réponse, qui passe souvent par une modification de l'expression génétique. Une hormone reçue par un récepteur membranaire, un signal lumineux perçu par la cellule végétale, la présence ou l'absence d'un substrat pour la bactérie en sont des exemples.

Chez les Eucaryotes, une partie de ces flux transite par la membrane plasmique ou par les systèmes endomembranaires. La voie de sécrétion en fournit l'illustration la plus complète : synthèse dans le réticulum granuleux, transport vésiculaire vers l'appareil de Golgi, maturation et tri, bourgeonnement de vésicules de sécrétion, transport le long des microtubules, fusion avec la membrane plasmique et exocytose. Toute la chaîne fait intervenir au moins quatre compartiments plus le cytosquelette, ce qui illustre parfaitement la coopération fonctionnelle.

Exemples et ordres de grandeur

Les tailles à connaître complètent celles du chapitre précédent. Une bactérie mesure de un à quelques micromètres, ce qui est aussi l'ordre de grandeur d'une mitochondrie. Un chloroplaste mesure quelques micromètres. Un noyau mesure de cinq à dix micromètres. Un lysosome ou une vésicule de sécrétion mesure quelques dixièmes de micromètre. Une membrane biologique a une épaisseur de sept à huit nanomètres, ce qui explique qu'elle ne soit visible qu'en microscopie électronique. Un microtubule mesure vingt-cinq nanomètres de diamètre, un microfilament d'actine environ sept nanomètres.

Un repère utile pour lire un cliché de MET : si une structure présente deux membranes nettement séparées, il s'agit du noyau, d'une mitochondrie ou d'un chloroplaste. Les crêtes tranchent pour la mitochondrie, les empilements de thylakoïdes pour le chloroplaste, les pores et la chromatine pour le noyau.

Le schéma d'une cellule du parenchyme palissadique à décrire en mots. Cellule allongée, entourée d'une paroi et d'une membrane plasmique. Une vacuole centrale très volumineuse repousse le cytoplasme en une couche périphérique mince. Dans cette couche, de nombreux chloroplastes lenticulaires disposés contre la paroi, un noyau plaqué en périphérie, des mitochondries, du réticulum et un appareil de Golgi. Des plasmodesmes traversent la paroi vers les cellules voisines.

Le schéma d'un entérocyte a été décrit dans le chapitre précédent. On y ajoute ici les compartiments : noyau basal, réticulum et Golgi dans la région supranucléaire, mitochondries nombreuses, vésicules le long des microtubules.

Méthodes et savoir-faire

Il faut savoir discuter intérêts et contraintes de la compartimentation, c'est-à-dire produire une argumentation à deux volets et non une simple énumération d'organites.

Il faut savoir reconnaître les ultrastructures cellulaires eucaryotes sur clichés obtenus par différentes techniques microscopiques, en se limitant à la liste du programme : noyau, membranes, mitochondrie, chloroplaste, réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, lysosome, vésicules de sécrétion, euchromatine et hétérochromatine, nucléole.

Il faut savoir évaluer les dimensions d'une structure à partir des ordres de grandeur mémorisés.

Il faut savoir schématiser l'ultrastructure d'une bactérie et reconnaître ses caractéristiques principales sur clichés.

Il faut savoir réaliser des colorations pour mettre en évidence des structures cellulaires au microscope optique. Les colorations usuelles de BCPST sont la coloration de Gram, le carmino-vert de Mirande, le rouge neutre, le bleu coton lactique, le vert de méthyle, la pyronine et le lugol. Le principe de chaque coloration est à connaître, le protocole n'est pas à mémoriser. Le rouge neutre est un colorant vital qui s'accumule dans les vacuoles. Le vert de méthyle et la pyronine distinguent ADN et ARN. Le lugol met en évidence l'amidon. La coloration de Gram identifie le caractère Gram positif ou Gram négatif d'une bactérie, et sa mise en œuvre est exigible.

Il faut enfin savoir illustrer les rôles du cytosquelette sur les deux exemples eucaryotes de référence, et argumenter l'existence des trois flux sur les trois exemples de référence.

Ce qu'il faut savoir mobiliser en colle et à l'écrit

1. Argumenter les quatre intérêts de la compartimentation et les contraintes qu'elle impose, avec un exemple concret pour chacun.
2. Identifier sur un cliché de MET le noyau, une mitochondrie et un chloroplaste, en donnant le critère qui tranche entre les trois.
3. Décrire la voie de sécrétion d'une protéine, du réticulum granuleux à l'exocytose, comme exemple de coopération entre compartiments.
4. Justifier que le support de l'information génétique se trouve dans plusieurs compartiments et en tirer les conséquences sur l'origine des protéines mitochondriales.
5. Schématiser l'ultrastructure d'une bactérie à Gram négatif, en plaçant correctement les deux membranes et la paroi.
6. Expliquer le principe de la coloration de Gram et relier le résultat à l'organisation de l'enveloppe.
7. Citer les trois types de structures du cytosquelette avec leur diamètre et leur rôle, puis les illustrer sur l'entérocyte et sur la cellule du parenchyme palissadique.
8. Piège fréquent : décrire les compartiments comme des sacs indépendants. Il faut au contraire mettre en avant les continuités, enveloppe nucléaire et réticulum, et les échanges vésiculaires.

Notions et mécanismes clés

• Compartimentation : délimitation par des membranes de volumes dont la composition diffère du cytosol, d'où une régionalisation des fonctions.
• Quatre intérêts à argumenter : séparer des activités incompatibles, concentrer réactifs et enzymes, entretenir des gradients utilisables comme réserve d'énergie, multiplier les surfaces membranaires.
• Contraintes symétriques : adressage des molécules, transporteurs spécifiques dans chaque membrane, flux vésiculaires coûteux, coopération obligatoire entre compartiments.
• Noyau : enveloppe à deux membranes percée de pores, en continuité avec le réticulum, chromatine, nucléole sans membrane produisant les ARN ribosomiques.
• Hétérochromatine dense et compactée, euchromatine claire et décondensée, associée à l'expression des gènes.
• Réticulum endoplasmique granuleux : ribosomes sur la face cytosolique, synthèse des protéines de sécrétion, de membrane et de certains organites. Réticulum lisse : métabolisme des lipides.
• Appareil de Golgi : empilement polarisé de saccules, face d'entrée recevant les vésicules du réticulum, face de sortie émettant les vésicules, maturation et tri, glycosylations.
• Lysosome : vésicule acide riche en hydrolases, dégradation. Vacuole végétale : stockage, dégradation, turgescence.
• Mitochondrie : deux membranes, crêtes de la membrane interne, matrice, catabolisme oxydatif aérobie, ADN circulaire et ribosomes propres.
• Chloroplaste : deux membranes, stroma, thylakoïdes empilés en grana, photosynthèse, ADN et ribosomes propres.
• Information génétique dans plusieurs compartiments : noyau, mitochondrie, chloroplaste. Une partie des protéines de ces organites est codée sur place, le reste est nucléaire et importé.
• Cellule bactérienne : nucléoïde sans enveloppe, chromosome unique circulaire, plasmides éventuels, ribosomes plus petits, cytoplasme peu compartimenté.
• Enveloppe bactérienne : paroi de peptidoglycanes et une membrane chez les Gram positifs, paroi fine entre membrane plasmique et membrane externe chez les Gram négatifs.
• Coloration de Gram : rétention du violet par la paroi épaisse des Gram positifs, décoloration puis contre-coloration rose des Gram négatifs.
• Cytosquelette eucaryote : microfilaments d'actine de 7 nm, microtubules de tubuline de 25 nm creux, filaments intermédiaires de 10 nm stables.
• Rôles dans l'entérocyte : faisceau d'actine axial des microvillosités, ceinture d'actine des jonctions, filaments intermédiaires des desmosomes et de l'enveloppe nucléaire, microtubules rails des vésicules.
• Rôles dans la cellule palissadique : cyclose entraînant les chloroplastes, guidage du dépôt des microfibrilles de cellulose.
• Trois flux traversant toute cellule : matière, énergie, information.
• Voie de sécrétion : réticulum granuleux, vésicules, Golgi, vésicules de sécrétion, transport sur microtubules, exocytose. Exemple type de coopération entre compartiments.
• Colorations usuelles : Gram, carmino-vert de Mirande, rouge neutre vital pour la vacuole, bleu coton lactique, vert de méthyle et pyronine pour ADN et ARN, lugol pour l'amidon.

Chaînes de raisonnement

Pourquoi compartimenter plutôt que tout mélanger. Une hydrolase active dans le cytosol dégraderait la cellule, elle est donc enfermée dans un lysosome au pH acide qui l'active seulement là. Une réaction lente à faible concentration devient rapide si réactifs et enzymes sont confinés dans un petit volume. Un gradient de protons ne peut exister que de part et d'autre d'une membrane, et il stocke de l'énergie. Chaque intérêt se déduit d'une propriété physico-chimique simple.

Pourquoi la compartimentation a un coût. Une protéine fabriquée dans le cytosol doit atteindre son compartiment, ce qui suppose une adresse et un système de reconnaissance. Une molécule qui doit changer de compartiment a besoin d'un transporteur ou d'une vésicule, et le trafic vésiculaire consomme de l'énergie. Le gain d'efficacité se paye en machinerie.

Comment lire un cliché de MET. Deux membranes nettement séparées désignent le noyau, une mitochondrie ou un chloroplaste. Des crêtes internes tranchent pour la mitochondrie, des empilements de thylakoïdes pour le chloroplaste, des pores et de la chromatine pour le noyau. Une seule membrane avec des ribosomes accolés, c'est le réticulum granuleux. Des saccules empilés et incurvés sans ribosomes, c'est le Golgi.

Du génome mitochondrial à l'origine des protéines. La mitochondrie contient un ADN circulaire et des ribosomes, donc elle synthétise des protéines. Mais son génome est petit et la plupart de ses protéines sont codées dans le noyau, traduites dans le cytosol et importées. La double membrane, la taille bactérienne et le chromosome circulaire sont cohérents entre eux et servent d'argument en faveur d'une origine bactérienne, idée à citer avec prudence car elle relève d'un autre chapitre.

De l'enveloppe à la coloration de Gram. La paroi épaisse de peptidoglycanes retient le complexe violet iodé lors du lavage à l'alcool. Une paroi fine, prise entre deux membranes, le laisse partir, et la contre-coloration rose devient visible. Le résultat de la coloration est donc une lecture directe de l'organisation de l'enveloppe.

Pourquoi un cytosquelette dynamique et non un squelette fixe. Une microvillosité tient par un faisceau d'actine qu'il faut pouvoir remodeler. Une vésicule doit être transportée sur un rail orienté, donc un microtubule polarisé. Un noyau et des desmosomes doivent résister à la traction, donc des filaments intermédiaires stables. Trois exigences mécaniques différentes appellent trois structures différentes.

Pourquoi la voie de sécrétion prouve la coopération. Une seule protéine sécrétée traverse successivement le réticulum granuleux, des vésicules, le Golgi, des vésicules de sécrétion, la membrane plasmique, sur des rails de microtubules. Retirer un seul compartiment interrompt la chaîne. La fonction n'appartient à aucun compartiment, elle appartient au réseau.

Exemples et références à connaître

1. Ordres de grandeur : bactérie et mitochondrie 1 à quelques µm, chloroplaste quelques µm, noyau 5 à 10 µm, lysosome et vésicule quelques dixièmes de µm, membrane 7 à 8 nm, microtubule 25 nm, filament intermédiaire 10 nm, microfilament 7 nm.
2. L'entérocyte, cellule polarisée, noyau basal, réticulum et Golgi supranucléaires, mitochondries nombreuses, vésicules le long des microtubules, microvillosités à cœur d'actine.
3. La cellule du parenchyme palissadique, allongée, grande vacuole centrale, cytoplasme périphérique mince, chloroplastes lenticulaires contre la paroi, noyau plaqué, plasmodesmes.
4. Escherichia coli, bacille à Gram négatif de 1 à 2 µm, membrane externe, paroi fine, membrane plasmique, nucléoïde, plasmides, flagelles éventuels. Rhizobium est également à Gram négatif.
5. Le cliché type de mitochondrie en MET, deux membranes et crêtes, contre le cliché type de chloroplaste, grana empilés dans le stroma.
6. Le nucléole, région dense sans membrane, seule structure nucléaire nommément exigible avec les deux états de la chromatine.
7. Le rouge neutre sur une cellule d'épiderme, colorant vital qui s'accumule dans la vacuole et prouve qu'elle est un compartiment délimité et vivant.
8. Le lugol sur une coupe de tubercule, amidon bleu noir dans les amyloplastes, exemple de compartiment de réserve.
9. Le vert de méthyle et la pyronine, noyau vert par l'ADN, cytoplasme et nucléole rouges par l'ARN, preuve simple de la localisation de deux acides nucléiques.
10. Homologie entre le cytosquelette bactérien et le cytosquelette eucaryote, à citer sans détail moléculaire.

Techniques

Identifier une ultrastructure sur un cliché

Réflexe en quatre temps. Repérer la technique, MET si niveaux de gris et membranes visibles. Compter les membranes autour de la structure. Chercher le critère interne, crêtes, thylakoïdes, chromatine et pores, ribosomes accolés, saccules empilés. Mesurer avec l'échelle et confronter à l'ordre de grandeur attendu.

Mini-exemple. Une structure ovale de 1,5 µm à deux membranes, dont l'interne forme des replis vers l'intérieur. Deux membranes limitent à trois candidats, les replis désignent des crêtes, la taille convient. C'est une mitochondrie, siège du catabolisme oxydatif. Si les replis avaient été des empilements de disques aplatis dans une structure de 5 µm, c'eût été un chloroplaste.

Argumenter intérêts et contraintes de la compartimentation

Construire un tableau à deux colonnes, chaque intérêt en face de la contrainte qu'il engendre, et donner pour chaque ligne un exemple pris dans l'entérocyte ou la cellule palissadique. Séparer les hydrolases dans le lysosome, contrainte de l'adressage. Concentrer les enzymes de la photosynthèse dans le stroma, contrainte des transporteurs d'export des photosynthétats. Un discours en deux volets vaut plus qu'une liste d'organites.

Le schéma d'une bactérie à Gram négatif

De l'extérieur vers l'intérieur : membrane externe, paroi fine de peptidoglycanes dans l'espace intermédiaire, membrane plasmique, cytoplasme avec nucléoïde figuré par un chromosome circulaire replié, un ou deux plasmides, des ribosomes, un flagelle ancré dans l'enveloppe. Chaque enveloppe porte une légende et une épaisseur cohérente, la membrane à 7 ou 8 nm, la cellule à 1 ou 2 µm. Pour un Gram positif, retirer la membrane externe et épaissir la paroi.

Le plan de synthèse

Éviter le plan par organite, qui devient un inventaire. Préférer un plan par fonction, avec pour chaque fonction les compartiments qui coopèrent. Mini-exemple pour « La cellule eucaryote, une cellule compartimentée » : une partie sur le principe et ses intérêts, une partie sur la diversité des compartiments lue sur les deux cellules imposées, une partie sur la coopération, voie de sécrétion et flux, en concluant sur la comparaison avec la bactérie.

Sujets classiques traités

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