La cellule est l'unité structurale, fonctionnelle et reproductrice de tout être vivant. Ce premier chapitre pose les bases du module : la théorie cellulaire et son histoire, la distinction procaryote / eucaryote, la composition chimique de la cellule et les outils qui permettent de l'observer et de l'analyser. Ces notions reviennent dans presque tous les contrôles du S1, souvent sous forme de définitions et de tableaux comparatifs.
1. La théorie cellulaire et son histoire
L'histoire de la biologie cellulaire est liée au perfectionnement du microscope. En 1665, Robert Hooke observe des coupes de liège et propose le terme cellule (« petite chambre »). Vers 1674-1677, Antoni van Leeuwenhoek décrit les premiers micro-organismes vivants, ses « animalcules ». En 1831, Brown identifie le noyau comme constituant constant de la cellule. En 1838-1839, le botaniste Schleiden et le zoologiste Schwann formulent la théorie cellulaire : tous les organismes sont constitués d'une ou plusieurs cellules, et la cellule est l'unité structurale de la vie.
En 1855-1858, Rudolf Virchow ajoute le troisième principe : toute cellule provient d'une cellule préexistante (omnis cellula e cellula), tandis que Louis Pasteur réfute la génération spontanée grâce à ses ballons à col de cygne : le milieu stérilisé reste stérile tant que les micro-organismes de l'air ne peuvent l'atteindre. Le XXe siècle apporte le microscope électronique (années 1940), le fractionnement cellulaire (années 1950, Claude et de Duve) puis la biologie moléculaire, qui étudie la cellule à l'échelle des gènes.
Ensemble de trois principes : tout être vivant est formé de cellules ; la cellule est l'unité structurale et fonctionnelle du vivant ; toute cellule naît de la division d'une cellule préexistante.
2. Procaryotes et eucaryotes
Il existe deux grands types d'organisation cellulaire. La cellule procaryote (pro = avant, caryon = noyau) — bactéries et archées — ne possède pas de vrai noyau : son ADN, généralement une molécule circulaire unique, occupe une région du cytoplasme appelée nucléoïde, parfois complétée par de petits plasmides. Elle est dépourvue d'organites membranaires, mesure le plus souvent 1 à 10 µm, possède des ribosomes 70S et une paroi de peptidoglycane. Ses seuls replis membranaires sont les mésosomes.
La cellule eucaryote (eu = vrai) — protistes, champignons, végétaux, animaux — est plus grande (10 à 100 µm en général) et compartimentée : le noyau est délimité par une enveloppe nucléaire, et des membranes internes forment des organites (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, mitochondries, lysosomes…). Son ADN est linéaire, associé à des histones, réparti sur plusieurs chromosomes ; ses ribosomes sont de type 80S et son cytosquelette est très développé. La division se fait par mitose et non par simple scissiparité.
3. Cellule animale et cellule végétale
Les deux sont eucaryotes et partagent noyau, mitochondries, réticulum, Golgi et cytosquelette. La cellule végétale se distingue par une paroi pectocellulosique rigide qui double la membrane plasmique, des chloroplastes siège de la photosynthèse, une grande vacuole centrale limitée par le tonoplaste (turgescence, stockage) et des plasmodesmes reliant les cellules voisines. La cellule animale possède en propre des centrioles dans son centrosome, des lysosomes bien individualisés, et stocke le glucose sous forme de glycogène plutôt que d'amidon.
4. Les constituants chimiques de la cellule
L'analyse d'un broyat cellulaire révèle d'abord de l'eau (environ 70 % de la masse), solvant de toutes les réactions, puis des ions minéraux (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl⁻, phosphates) indispensables aux gradients membranaires et à l'activité enzymatique. La fraction organique se répartit en quatre familles de macromolécules : les glucides (rôle énergétique et structural : glucose, glycogène, amidon, cellulose), les lipides (réserve énergétique, phospholipides des membranes, cholestérol, hormones stéroïdes), les protéines (polymères d'acides aminés : enzymes, transporteurs, cytosquelette, récepteurs) et les acides nucléiques (ADN, support de l'information génétique ; ARN, intermédiaire de son expression). Les éléments C, H, O, N, P et S constituent l'essentiel de la matière vivante.
5. Les méthodes morphologiques : les microscopies
Le microscope optique (ou photonique) utilise la lumière visible et des lentilles de verre ; son pouvoir de résolution est d'environ 0,2 µm et son grossissement utile plafonne autour de ×1 000 à ×1 500. Il permet d'observer des cellules vivantes (contraste de phase, fluorescence, microscopie confocale) ou des coupes fixées et colorées (hématoxyline-éosine, colorations cytochimiques). Le microscope électronique à transmission (MET) remplace la lumière par un faisceau d'électrons et les lentilles par des bobines électromagnétiques : la résolution descend à quelques dixièmes de nanomètre et le grossissement peut dépasser ×100 000. Il exige des coupes ultrafines d'échantillons fixés, déshydratés, inclus dans une résine et contrastés par des sels de métaux lourds ; il révèle l'ultrastructure des organites.
Le microscope électronique à balayage (MEB) balaie la surface d'un échantillon métallisé et fournit une image en relief de la surface cellulaire. Techniques associées : la cryofracture (visualisation de l'intérieur des membranes), l'autoradiographie (localisation d'un précurseur radioactif, par exemple la thymidine tritiée pour suivre la réplication) et l'immunomarquage (anticorps couplés à un fluorochrome ou à des billes d'or pour localiser une protéine).
Plus petite distance entre deux points que le microscope permet de distinguer comme séparés. Il dépend de la longueur d'onde utilisée, d'où la supériorité du microscope électronique sur le microscope optique.
| Microscope optique | MET | MEB | |
|---|---|---|---|
| Source | Lumière visible | Faisceau d'électrons | Faisceau d'électrons |
| Résolution | ≈ 0,2 µm | ≈ 0,2 nm | Quelques nm |
| Échantillon | Vivant ou fixé, coupes fines | Coupes ultrafines, contrastées | Surface métallisée |
| Image | Couleur, 2D | Noir et blanc, 2D (ultrastructure) | Noir et blanc, relief 3D |
Les trois microscopes à comparer en examen
6. Fractionnement cellulaire et autres méthodes
Pour étudier un organite isolé, on procède au fractionnement cellulaire : les cellules sont d'abord broyées (homogénéisation) dans un tampon isotonique et froid, puis l'homogénat subit une centrifugation différentielle à vitesses croissantes. Les culots se succèdent par taille et densité décroissantes : noyaux (faible vitesse), puis mitochondries, lysosomes et peroxysomes, puis microsomes (fragments de réticulum et ribosomes, à très grande vitesse) ; le surnageant final correspond au cytosol. Une centrifugation sur gradient de densité (saccharose) affine la séparation. La pureté de chaque fraction se vérifie par des enzymes marqueurs (catalase pour le peroxysome, phosphatase acide pour le lysosome, cytochrome oxydase pour la mitochondrie). Les méthodes biochimiques complètent l'étude : chromatographie et électrophorèse pour séparer les molécules, culture cellulaire pour étudier des cellules vivantes hors de l'organisme, techniques de l'ADN recombinant pour manipuler les gènes.
- Théorie cellulaire (Schleiden et Schwann 1838-1839, Virchow 1855) : tout vivant est fait de cellules, toute cellule provient d'une cellule.
- Procaryote : pas de noyau, ADN circulaire dans un nucléoïde, ribosomes 70S, paroi ; eucaryote : noyau, organites, ribosomes 80S.
- Cellule végétale : paroi, chloroplastes, grande vacuole, plasmodesmes ; cellule animale : centrioles, lysosomes.
- Eau ≈ 70 % de la cellule ; quatre familles de macromolécules : glucides, lipides, protéines, acides nucléiques.
- Microscope optique : résolution ≈ 0,2 µm ; MET : ultrastructure, résolution ≈ 0,2 nm ; MEB : surface en relief.
- Fractionnement cellulaire = homogénéisation + centrifugation différentielle ; noyaux d'abord, cytosol en dernier.
Les sujets de Biologie cellulaire S1 des facultés marocaines (FSR, FSSM, FSDM, FST) ouvrent très souvent par un tableau procaryote / eucaryote ou cellule animale / végétale à compléter, et par une question sur la différence microscope optique / microscope électronique. Piège classique : confondre grossissement et pouvoir de résolution, ou placer des mitochondries dans une bactérie. Pense aussi à l'ordre des culots du fractionnement cellulaire, souvent demandé en QCM.