La structure et la fonction d'une cellule

Les cellules représentent les objets les plus petits, ou du moins les plus irréductibles, qui présentent toutes les qualités associées à la perspective magique appelée « vie », telles que métabolisme (extraire l'énergie de sources extérieures pour alimenter les processus internes) et la reproduction. À cet égard, ils occupent le même créneau en biologie que les atomes en chimie: ils peuvent certainement être décomposés en morceaux plus petits, mais isolément, ces morceaux ne peuvent pas vraiment faire grand-chose. En tout cas, le corps humain en contient certainement beaucoup – bien plus de 30 000 milliards (c'est 30 million million).

Un refrain courant dans le monde des sciences naturelles et de l'ingénierie est « la forme convient à la fonction ». Cette signifie essentiellement que si quelque chose a un travail donné à faire, il semblera probablement qu'il est capable de le faire ce travail; à l'inverse, si quelque chose semble être fait pour accomplir une ou plusieurs tâches données, il y a de fortes chances que ce soit exactement ce que fait cette chose.

L'organisation des cellules et les processus qu'elles mettent en œuvre sont intimement liés, voire indissociables, et la maîtrise de la les bases de la structure et de la fonction cellulaires sont à la fois enrichissantes en elles-mêmes et nécessaires pour bien comprendre la nature de la vie choses.

Le concept de matière – à la fois vivante et non vivante – comme consistant en un grand nombre d'unités discrètes et similaires existe depuis le temps de Démocrite, un érudit grec dont la vie s'étend sur les 5e et 4e siècles av. Mais comme les cellules sont beaucoup trop petites pour être vues avec le à l'œil nu, ce n'est qu'au XVIIe siècle, après l'invention des premiers microscopes, que n'importe qui a pu réellement visualiser eux.

Robert Hooke est généralement crédité d'avoir inventé le terme « cellule » dans un contexte biologique en 1665, bien que son travail dans ce domaine se soit concentré sur le liège; environ 20 ans plus tard, Anton van Leeuwenhoek a découvert des bactéries. Cependant, il faudra encore plusieurs siècles avant que les parties spécifiques d'une cellule et leurs fonctions puissent être clarifiées et complètement décrites. En 1855, le scientifique relativement obscur Rudolph Virchow a théorisé, à juste titre, que les cellules vivantes ne peuvent provenir que de d'autres cellules vivantes, même si les premières observations de réplication chromosomique étaient encore dans quelques décennies.

Les procaryotes, qui couvrent les domaines taxonomiques des bactéries et des archées, existent depuis environ trois milliards et demi d'années, soit environ les trois quarts de l'âge de la Terre elle-même. (Taxonomie est la science traitant de la classification des êtres vivants; domaine est la catégorie de plus haut niveau dans la hiérarchie.) Les organismes procaryotes se composent généralement d'une seule cellule.

Les eucaryotes, le troisième domaine, comprennent les animaux, les plantes et les champignons - en bref, tout ce qui est vivant que vous pouvez réellement voir sans instruments de laboratoire. On pense que les cellules de ces organismes sont issues de procaryotes à la suite de endosymbiose (du grec de "vivre ensemble à l'intérieur"). Il y a près de 3 milliards d'années, une cellule a englouti une bactérie aérobie (utilisatrice d'oxygène), qui a servi les objectifs des deux formes de vie parce que la bactérie "avalée" a fourni un moyen de production d'énergie pour la cellule hôte tout en fournissant un environnement favorable pour le endosymbiote.
En savoir plus sur les similitudes et les différences des cellules procaryotes et eucaryotes.

Les cellules varient considérablement en taille, forme et distribution de leur contenu, en particulier dans le royaume des eucaryotes. Ces organismes sont beaucoup plus grands et beaucoup plus diversifiés que les procaryotes, et dans l'esprit de la « forme fit fonction" référencé précédemment, ces différences sont évidentes même au niveau des cellules individuelles.

Consultez n'importe quel diagramme cellulaire, et quel que soit l'organisme auquel appartient la cellule, vous êtes assuré de voir certaines caractéristiques. Ceux-ci comprennent un membrane plasma, qui renferme le contenu cellulaire; les cytoplasme, qui est un milieu gélatineux formant la majeure partie de l'intérieur de la cellule; l'acide désoxyribonucléique (ADN), le matériel génétique que les cellules transmettent aux cellules filles qui se forment lorsqu'une cellule se divise en deux pendant la reproduction; et les ribosomes, qui sont des structures qui sont les sites de synthèse des protéines.

Les procaryotes ont également une paroi cellulaire externe à la membrane cellulaire, tout comme les plantes. Chez les eucaryotes, l'ADN est enfermé dans un noyau, qui possède sa propre membrane plasmique très similaire à celle entourant la cellule elle-même.

La membrane plasmique des cellules est constituée d'un bicouche phospholipidique, dont l'organisation résulte des propriétés électrochimiques de ses éléments constitutifs. Les molécules de phospholipides dans chacune des deux couches comprennent hydrophile « têtes », qui sont attirées par l'eau à cause de leur charge, et hydrophobe "queues", qui ne sont pas chargées et ont donc tendance à s'éloigner de l'eau. Les portions hydrophobes de chaque couche se font face à l'intérieur de la double membrane. Le côté hydrophile de la couche externe fait face à l'extérieur de la cellule, tandis que le côté hydrophile de la couche interne fait face au cytoplasme.

Surtout, la membrane plasmique est semi-perméable, ce qui signifie qu'à la manière d'un videur dans une boîte de nuit, il accorde l'entrée à certaines molécules tout en refusant l'entrée à d'autres. De petites molécules telles que le glucose (le sucre qui sert de source de carburant ultime pour toutes les cellules) et le dioxyde de carbone peut se déplacer librement dans et hors de la cellule, évitant les molécules de phospholipides alignées perpendiculairement à la membrane comme un ensemble. D'autres substances sont activement transportées à travers la membrane par des « pompes » alimentées par l'adénosine triphosphate (ATP), un nucléotide qui sert de « monnaie » énergétique à toutes les cellules.
En savoir plus sur la structure et la fonction de la membrane plasmique.

Le noyau fonctionne comme le cerveau des cellules eucaryotes. La membrane plasmique entourant le noyau est appelée enveloppe nucléaire. A l'intérieur du noyau se trouvent chromosomes, qui sont des "morceaux" d'ADN; le nombre de chromosomes varie d'une espèce à l'autre (les humains ont 23 sortes distinctes, mais 46 en tout - un de chaque type de la mère et un du père).

Lorsqu'une cellule eucaryote se divise, l'ADN à l'intérieur du noyau le fait en premier, après la réplication de tous les chromosomes. Ce processus, appelé mitose, est détaillé plus loin.

Les ribosomes se trouvent dans le cytoplasme des cellules eucaryotes et procaryotes. Chez les eucaryotes, ils sont regroupés le long de certains organites (structures liées à la membrane qui ont des fonctions spécifiques, comme le font des organes tels que le foie et les reins dans le corps à plus grande échelle). Les ribosomes fabriquent des protéines en utilisant des instructions portées dans le "code" de l'ADN et transmises aux ribosomes par l'acide ribonucléique messager (ARNm).

Une fois l'ARNm synthétisé dans le noyau en utilisant l'ADN comme matrice, il quitte le noyau et s'attache aux ribosomes, qui assemblent des protéines parmi 20 différentes acides aminés. Le processus de fabrication de l'ARNm est appelé transcription, tandis que la synthèse des protéines elle-même est connue sous le nom Traduction.

Aucune discussion sur la composition et la fonction des cellules eucaryotes ne pourrait être complète ou même pertinente sans un traitement approfondi des mitochondries. Ces organites qui sont remarquables à au moins deux égards: Ils ont aidé les scientifiques à en apprendre beaucoup sur les origines évolutives de cellules en général, et ils sont presque seuls responsables de la diversité de la vie eucaryote en permettant le développement de cellules respiration.

Toutes les cellules utilisent le sucre glucose à six carbones comme carburant. Chez les procaryotes et les eucaryotes, le glucose subit une série de réactions chimiques appelées collectivement glycolyse, qui génère une petite quantité d'ATP pour les besoins de la cellule. Chez presque tous les procaryotes, c'est la fin de la lignée métabolique. Mais chez les eucaryotes, capables d'utiliser l'oxygène, les produits de la glycolyse passent dans les mitochondries et subissent d'autres réactions.

Le premier d'entre eux est le Cycle de Krebs, qui crée une petite quantité d'ATP mais fonctionne principalement pour stocker des molécules intermédiaires pour la grande finale de la respiration cellulaire, le chaîne de transport d'électrons. Le cycle de Krebs se déroule dans le matrice des mitochondries (la version de l'organite d'un cytoplasme privé), tandis que la chaîne de transport d'électrons, qui produit l'écrasante majorité de l'ATP chez les eucaryotes, se produit sur la mitochondrie interne membrane.

Les cellules eucaryotes possèdent un certain nombre d'éléments spécialisés qui soulignent les besoins métaboliques étendus et interdépendants de ces cellules complexes. Ceux-ci inclus:

• Réticulum endoplasmique : Cet organite est un réseau de tubules constitué d'une membrane plasmique en continuité avec l'enveloppe nucléaire. Son travail consiste à modifier les protéines nouvellement fabriquées pour les préparer à leurs fonctions cellulaires en aval en tant qu'enzymes, éléments structurels, etc., en les adaptant aux besoins spécifiques de la cellule. Il fabrique également des glucides, des lipides (graisses) et des hormones. Le réticulum endoplasmique apparaît comme lisse ou rugueux à la microscopie, formes qui sont respectivement abrégées SER et RER. Le RER est ainsi désigné parce qu'il est « parsemé » de ribosomes; c'est là que la modification de la protéine se produit. Le SER, d'autre part, est l'endroit où les substances susmentionnées sont assemblées.
• Corps de Golgi : Aussi appelé appareil de Golgi. Il ressemble à une pile aplatie de sacs liés à la membrane, et il emballe les lipides et les protéines dans vésicules qui se détachent ensuite du réticulum endoplasmique. Les vésicules livrent les lipides et les protéines à d'autres parties de la cellule.
  
• Lysosomes : Tous les processus métaboliques génèrent des déchets, et la cellule doit disposer d'un moyen de s'en débarrasser. Cette fonction est assurée par les lysosomes, qui contiennent des enzymes digestives qui décomposent les protéines, les graisses et d'autres substances, y compris les organites usés eux-mêmes.
• Vacuoles et vésicules : Ces organites sont des sacs qui font la navette autour de divers composants cellulaires, les transportant d'un emplacement intracellulaire à un autre. Les principales différences sont que les vésicules peuvent fusionner avec d'autres composants membraneux de la cellule, contrairement aux vacuoles. Dans les cellules végétales, certaines vacuoles contiennent des enzymes digestives qui peuvent décomposer de grosses molécules, un peu comme les lysosomes.
• Cytosquelette : Ce matériau est constitué de microtubules, des complexes protéiques qui offrent un support structurel en s'étendant du noyau à travers le cytoplasme jusqu'à la membrane plasmique. À cet égard, ils sont comme les poutres et les poutres d'un bâtiment, agissant pour empêcher toute la cellule dynamique de s'effondrer sur elle-même.

Lorsque les cellules bactériennes se divisent, le processus est simple: la cellule copie tous ses éléments, y compris ses L'ADN, tout en doublant approximativement de taille, puis se divise en deux dans un processus connu sous le nom de fission binaire.

La division des cellules eucaryotes est plus impliquée. Tout d'abord, l'ADN dans le noyau est répliqué pendant que l'enveloppe nucléaire se dissout, puis les chromosomes répliqués se séparent en noyaux filles. Ceci est connu comme la mitose et se compose de quatre étapes distinctes: prophase, métaphase, anaphase et télophase; de nombreuses sources insèrent une cinquième étape, appelée prométaphase, juste après la prophase. Après cela, le noyau se divise et de nouvelles enveloppes nucléaires se forment autour des deux ensembles identiques de chromosomes.

Enfin, la cellule dans son ensemble se divise selon un processus appelé cytokinèse. Lorsque certains défauts sont présents dans l'ADN grâce à des malformations héréditaires (mutations) ou à la présence de produits chimiques nocifs, la division cellulaire peut se dérouler sans contrôle; c'est la base des cancers, un groupe de maladies pour lesquelles il n'existe aucun remède, bien que les traitements continuent de s'améliorer pour permettre une qualité de vie considérablement améliorée.