1.3 - Une structure complexe : la cellule vivante
Dans le monde, la matière s’organise en structure d’ordre supérieur à l’échelle moléculaire. Un exemple est ici proposé : la structure cellulaire.
1.3.1 - Microscopie et la Théorie Cellulaire
Définition d'une théorie scientifique :
Une théorie (du grec theorein, « contempler, observer, examiner ») est un ensemble cohérent d'explications, de notions ou d'idées sur un sujet précis, pouvant inclure des lois et des hypothèses, induites par l'accumulation de faits provenant de l'observation, l'expérimentation. Elle ne doit pas être confondue avec un principe philosophique, ni avec une hypothèse.
Une théorie scientifique doit répondre à plusieurs critères :
(1) valider la correspondance entre les principes théoriques et les phénomènes observés.
(2) prédire ce qui va être observé, et
(3) résister à l’expérience, être compatible avec les nouveaux faits ou rester valide dans de nouveaux domaines non encore explorés.
Si ce n'est pas le cas, la théorie doit être corrigée, voire invalidée.
La Théorie Cellulaire repose sur 5 principes ou axiomes :
1. Tous les êtres vivants sont constitués d'une ou plusieurs cellules (ce qui définit les êtres vivants et exclut les virus de cette catégorie) ;
2. Toute cellule provient d'une autre cellule par division cellulaire ;
3. La cellule est une unité vivante et l'unité de base du vivant, c'est-à-dire qu'une cellule est une entité autonome capable de réaliser un certain nombre de fonctions nécessaires et suffisantes à sa vie ; il est possible par exemple de cultiver des cellules in vitro en leur apportant les nutriments et le milieu convenable ;
4. Il y a individualité cellulaire grâce à la membrane plasmique qui règle les échanges entre la cellule et son environnement ;
5. La cellule renferme sous forme d'ADN l'information nécessaire à son fonctionnement et à sa reproduction. L'ADN peut être sous forme libre (procaryotes) ou stocké (eucaryotes) dans une structure particulière : les chromosomes réunis dans le noyau.
Ces cinq points peuvent être résumés comme suit : La cellule est l'unité structurale, l'unité fonctionnelle et l'unité reproductrice.
La découverte de l’unité cellulaire est liée à l’invention du microscope optique ou photonique. Il utilise la lumière (photons) et des lentilles optiques (verre). Il permet l’observation de cellules vivantes, naturellement ou artificiellement colorées. Il grossit 1500x au maximum avec une résolution de 350 nm.
L’observation de structures semblables (noyau, chromosomes), dans tous les organismes étudiés, a conduit à énoncer le concept général de cellule et à construire la théorie* cellulaire et ses 5 axiomes :
1/ cellule : unité structurale de base des êtres vivants,
2/ cellule provient d’une mitose (division d’une cellule préexistante)
3/ cellule : unité vivante et autonome pour beaucoup de fonction
4/ cellule : unité structurale individuelle (membrane plasmique, génome)
5/ cellule contient de l’ADN : information génétique et héréditaire.
Plus récemment, l’invention du microscope électronique (faisceau d’électrons, x 105 à 106, résolution de 10 à 0,5 nm, années 30) puis du microscope à fluorescence (microscope optique amélioré, traitement avec des anticorps spécifiques liés à un fluorochrome, résolution de 200 à 20 nm, années 60 à 2000) a permis l’exploration plus précise de la cellule, à l’échelle des macromolécules (molécules polymères comme les protéines (chaîne d’acides aminés) ou l’ADN (séquence de nucléotides).
Ces microscopes ont permis la compréhension du lien entre échelle moléculaire et cellulaire.
Exemple du cytosquelette : relation entre les fibres de proteines :(microtubules et filaments d'actine) et la structure 3D des cellules et la fonction du cytosquelette (exemple du fuseau mitotique qui sépare les chromosomes).
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| Rôle du fuseau mitotique lors de la mitose : séparation des chromosomes |
BILAN des exposés : Au milieu du 19è siècle, l'essentiel de la théorie cellulaire s'est construite avec un seul microscope : le microscope optique, de plus en plus perfectionné. Au milieu du 20è siècle, la microscopie électronique (MET : obs. en coupe ; MEB : obs. des surfaces "3D") a permis de compléter la Théorie cellulaire avec la découverte des structures moléculaires (organites, cytosquelette,...). Début du 21è siècle, la microscopie par fluorescence spécifique a permis de comprendre la composition et le fonctionnement dynamique des structures cellulaires. Elles ont contribué à préciser et tester la Théorie cellulaire.
1.3.2 La structure de la membrane plasmique
La cellule est un espace (milieu intracellulaire) séparé du milieu extérieur (extracellulaire) par une membrane plasmique.
Cette membrane est constituée d’une bicouche phospholipidique et de protéines. La structure membranaire est stabilisée par :
(1) le caractère hydrophile, en contact avec les milieux intra- et extra-cellulaires aqueux, et (2) le caractère hydrophobe ou lipophile, en contact entre les deux couches lipidiques,
de certaines parties des molécules (lipides et protéines) constitutives.
(1) le caractère hydrophile, en contact avec les milieux intra- et extra-cellulaires aqueux, et (2) le caractère hydrophobe ou lipophile, en contact entre les deux couches lipidiques,
de certaines parties des molécules (lipides et protéines) constitutives.
Des chaînes glucidiques tapissent la surface extérieur de la membrane plasmique.
Même si la membrane plasmique est très stable, les diverses molécules constitutives et notamment les protéines, y sont très mobiles : c'est le modèle de la mosaïque fluide.
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| Les lipides membranaires sont des molécules polarisées, avec un pôle hydrophile ("qui aime l'eau") et un pôle hydrophobe ("qui repousse l'eau") |
Même si la membrane plasmique est très stable, les diverses molécules constitutives et notamment les protéines, y sont très mobiles : c'est le modèle de la mosaïque fluide.
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| L'extinction de la fluorescence verte par le laser forme une tâche qui s'atténue avec le temps. La mobilité des protéines enchassées dans la bicouche phospholipidique est ici mis en évidence. |
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| Le modèle de membrane plasmique : la mosaïque fluide. |
VIDEOS :
STRUCTURE : https://www.youtube.com/watch?v=KjY6ruVXoG4
MOSAIQUE FLUIDE : https://www.youtube.com/watch?v=LKN5sq5dtW4
