La structure et les fonctions cellulaires

 

Le protoplasme et ses activités

Vous avez appris, au chapitre 2, que tous les êtres vivants ont plusieurs caractéristiques communes appelées processus vitaux. Vous avez appris, dans ce chapitre, que tous les êtres vivants sont faits de cellules (figure 5.11). Puisque toutes les cellules sont vivantes, il semble raisonnable de supposer que les processus vitaux ont lieu dans les cellules. Nous pouvons de plus supposer qu'ils se déroulent dans le protoplasme des cellules.

 

 

 

 

Figure 5.11 Cette fleur contient des millions de cellules renfermant chacume du protoplasme. C'set lui qui assure <<la vie>> de la Plante.

 

Le protoplasme est une substance granuleuse et gélatineuse. Il est le principal constituant de la cellule. Il est fait d'environ 70% d'eau, mais sa composition varie d'un organisme à un autre et d'une cellule à une autre dans un même organisme. Les autres 30% sont constitués de glucides, de lipides, de protéines et de quelques traces d'éléments et de composés. Les biologistes ne s'entendent pas sur le fait que le protoplasme soit vivant, même si on l'appelle souvent l'élément vivant de la cellule. Évidemment, il n'y a aucune partie du protoplasme de la cellule qui soit vivante, car l'eau, les glucides. Ies lipides et les protéines ne le sont pas. Pourtant, le protoplasme organise toutes ces substances en ce que l'on appelle <<la vie>>.

C'est dans le protoplasme de la cellule qu'on situe les processus vitaux. Dans un organisme unicellulaire, la cellule unique s'occupe de tous les processus vitaux, alors que dans un organisme pluricellulaire, les cellules tendent à se specialiser. Elles dépendent l'une de l'autre, car chaque cellule se charge d'une fonction particulière, alors que le protoplasme assume un rôle identique dans toutes les cellules. Le métabolisme est l'un des rôles importants dont se charge le protoplasme.

On se souvient que le métabolisme est l' échange de matière et d' énergie entre un organisme et son milieu et les transformations que subissent cette matière et cette énergie dans l'organisme. Toute cellule doit être capable de métabolisme, car elle doit ingérer certains matériaux et digérer certaines substances complexes comme les polysaccharides,les graisses et les protéines et les transformer en substances plus simples comme les monosaccharides, les acides gras, le glycérol et les acides aminés. Elle doit être capable d'assimiler des substances plus simples et de reconstituer les substances complexes que réclament la réparation et l'entretien des composantes cellulaires. Elle doit respirer pour pouvoir libérer l'énergie que requièrent les activités cellulaires. La cellule doit enfin pouvoir excréter les déchets provenant de l'activité métabolique. Le métabolisme est l 'ensemble de tous ces processus et l 'expression de l ' activité du protoplasme des êtres vivants.

Comment le protoplasme parvient-il à assumer tous ces rôles? Il y parvient parce qu'il est organisé. Certaines de ses parties sont spécialisées. Plusieurs d'entre elles s'appellent organites (&laqno;petits organes»). On les retrouve dans le cytoplasme et elles ont certains rôles spécialisés à jouer. Elles dépendent toutes les unes des autres. Les organites agissent dans la cellule comme les organes dans le corps. L'estomac, les poumons, le cerveau et les reins sont des organes qui ont tous un rôle spécifique à jouer dans le corps tout en dépendant les uns des autres. L'organisation de structures différentes en vue de l'accomplissement d'une tâche spécifique s'appelle la division du travail. Cette expression ne s applique pas qu'aux cellules, mais aussi aux relations entre les tissus et les organes des organismes pluricellulaires tels que les Humains.

 

Le microscope électronique

C'est le microscope électronique (figure 5.12) qui nous a permis d'observer les organites et les autres composantes de la cellule. Il n'utilise pas de lumière comme un microscope ordinaire pour éclairer le spécimen à étudier, mais un faisceau d'électrons permettant ainsi d'obtenir des grossissements de l'ordre de 200 000X. On peut même obtenir un grossissement de plus de 1 000 000X lorsqu'on prend une photo du spécimen observé et qu'on l'agrandit. Sa capacité de résolution est aussi élevée que son pouvoir de grossissement, ce qui permet aux biologistes de scruter les moindres détails de la cellule.

C'est le microscope électronique qui a permis de découvrir les parties de la cellule que nous décrirons dans le reste de cette section. Nous discuterons également des fonctions des diverses composantes de la cellule. Revoyez la figure 5.13 lorsque vous entreprenez la lecture d'une composante nouvelle.

Figure 5.13. Ce diagramme represente une cellule généralisée à partir d'une photographique (une micrographie électronique). Cette cellue n'appartient ni au règne végétal ni au regne animal, car aucune cellule connue ne llui ressemble.

 

 

Le noyau

Presque toutes les cellules contiennent un noyau (figure 5. 14). C'est le centre de contrôle de tous les processus de la cellule. Le noyau est un corps de forme sphérique ou ovale souvent situé près du centre de la cellule, mais parfois en périphérie.

Figure 5.14. Le noyau tel qu'il apparaitrait si on lui retranchait unn segment.

 

La membrane nucléaire

La membrane nucléaire entoure le noyau. Bien que très mince, elle consiste en deux membranes rapprochées l'une de l'autre. Elles collent l'une à l'autre en certains endroits pour former un pore, visible à l'aide d'une micrographie électronique . Les biologistes sont d'avis que ces pores permettent l'échange de certaines substances entre le noyau et le cytoplasme.

 

Le nucléole

La membrane nucléaire renferme une dispersion colloïdale épaisse appelée nucléoplasme. Dans la plupart des cellules, il y a plusieurs nucléoles en suspension dans ce nucléoplasme. Ils sont surtout constitués d'acides nucléiques (ADN et ARN) et de protéines. Les nucléoles produisent les protéines et l'ARN qu'utilisent les organites appelés ribosomes dans le cytoplasme.

 

La chromatine

On sait déjà depuis un certain temps que le noyau contient des chromosomes. Ils s'y trouvent dans un état quasi invisible appelé chromatine. Les filaments de chromatine épaississent et forment des chromosomes visibles lorsque vient le temps de la division de la cellule. Les chromosomes sont faits d'ADN et de protéines. L'ADN, on s'en souvient, est ce matériel génétique qui transmet le code génétique d'une génération à l'autre. C'est ce code génétique qui contrôle tous les processus cellulaires.

 

Le cytoplasme

Le protoplasme situé à l'extérieur du noyau s'appelle cytoplasme. Vous avez pu l'observer dans trois types de cellules. Il est granulé tout en étant clair et, souvent, se déplace, comme vous l'avez vu dans la cellule de l'Élodée.Le mouvement dont il est animé s'appelle cyclose.

 

La membrane plasmique

Le cytoplasme forme une membrane à sa bordure extérieure, c'est la membrane plasmique ou membrane cellulaire. Sa fonction principale est de séparer la cellule de son milieu ambiant ou, en d'autres termes, de maintenir ensemble le contenu cellulaire. Cette membrane contrôle également l'entrée de certains matériaux dans la cellule, ainsi que leur sortie, de façon à la garder en vie, Comment parvient-elle à jouer ce rôle multiple? Lorsqu 'on l 'observe au microscope, la membrane plasmique ressemble à une ligne située en bordure du cytoplasme. Le microscope électronique nous permet cependant de constater que la membrane plasmique, tout comme la membrane nucléaire, est faite de deux couches distinctes. On a effectué beaucoup de recherches pour tâcher de découvrir leur composition exacte, mais sans trop de succès. On sait que la membrane est faite de lipides et de protéines. De nombreux biologistes croient que la membrane est constituée de deux couches de molécules de lipides parsemées de molécules de protéines (figure 5. 17).

 

Figure 5.17. Les études portant sur la membrane plasmique nous permettent de croire qu'elle est composée de deux couches de molécules de lipides parsemées de molécules de protéines.

 

Les molécules de la membrane plasmique peuvent toutes se déplacer, ce qui en fait une composante très active dans la cellule. Les molécules peuvent traverser la membrane puisqu elle n'est pas solide, mais elle peut tout de même contrôler, d'une façon très efficace, le type de molécules qui pénètrent dans la cellule et celles qui en sortent. Dans le chapitre 6, nous vous expliquerons comment s'effectue ce contrôle.

 

Le réticulum endoplasmique

Le cytoplasme est de consistance claire lorsqu ' on l'observe au microscope ordinaire, mais on se rend compte qu'il est beaucoup plus complexe lorsqu'on le voit au microscope électronique . Dans la majorité des cellules observées, il semble contenir un réseau de structures tubulaires qu'on appelle le réticulum endoplasmique. Le réticulum endoplasmique semble être constitué de membranes doubles qui sont parallèles. Comme le montre la figure 5.13, le réticulum endoplasmique rencontre à la fois la membrane nucléaire et la membrane plasmique.

La plupart des biologistes croient que ce réseau tubulaire agit comme transporteur des matériaux dans la cellule puisqu'il semble possible que des substances le traversent et passent de la membrane plasmique à la membrane nucléaire. On sait de plus que des ribosomes s'attachent en différents endroits au réticulum endoplasmique.

 

Les organites cellulaires

Les organites (&laqno;petits organes») sont des structures spécialisées localisées dans le cytoplasme. Les chloroplastes que vous avez observés dans la cellule d'Élodée sont des organites. Le microscope ordinaire nous permet d'en observer quelques autres genres, alors que d'autres demeurent invisibles. C'est le microscope électronique qui nous a permis de découvrir les détails de leur structure et leurs fonctions. Il semble que chaque type d'organite contrôle une fonction chimique particulière dans la cellule. Vous en étudierez davantage dans les derniers chapitres de la deuxième partie. Nous nous contenterons pour le moment de décrire la structure et la localisation des organites et de traiter brièvement de leurs fonctions.

 

Les ribosomes

Les ribosomes sont de petits organites en forme de grains qu'on retrouve soit à la surface du réticulum endoplasmique, soit flottant librement dans le cytoplasme. Ils sont surtout composés d'acide nucléique, I'ARN, et contiennent des enzymes, un composé essentiel dans la synthèse des protéines. Les biologistes croient que les ribosomes sont le site de la synthèse des protéines dans la cellule, car c'est ici que s'assemblent les acides aminés pour fommer les protéines. Il se peut que les protéines qui sont fabriquées dans les ribosomes se déplacent dans le réticulum endoplasmique pour être ensuite transportées dans toutes les parties de la cellule.

 

Les corps de Golgi

Ces organites sont très visibles au microscope électronique. Généralement concentrés près du noyau, ils peuvent aussi être parsemés dans le cytoplasme. Ils ressemblent généralement à un ensemble de plusieurs tubes membraneux aplatis dont les extrémités portent des petits sacs. La fonction exacte des corps de Golgi n'est pas encore connue, mais il semble qu'ils exercent un rôle dans le processus de transformation des matériaux qui sont sécrétés hors de la cellule ou qui sont transportés d'un endroit à un autre dans la cellule. Ils peuvent aussi servir de lieux d'entreposage pour de tels matériaux. Certains biologistes croient que les protéines voyagent des ribosomes vers les corps de Golgi en traversant le réticulum endoplasmique. Elles s'unissent alors aux glucides pour fabriquer certains des matériaux qui sont soit entreposés dans les corps de Golgi, soit transportés vers l'extérieur. On croit de plus que les corps de Golgi sont le site de synthèse du réticulum endoplasmique.

 

Les mitochondries

On peut observer les mitochondries dans certaines cellules par le truchement du microscope photonique. Elles ressemblent à de petits points ou de petits bâtonnets, mais leur structure interne et leur forme deviennent clairement visibles au microscope électronique (figure 5.20). Elles sont remplies de liquide et elles sont ou sphériques ou en forme de saucisse. Une mitochondrie est entourée de deux membranes consistant chacune en une couche de molécules de lipides et une couche de molécules de protéines, ressemblant ainsi à la membrane nucléaire et à la membrane plasmique. La membrane interne se replie vers l'intérieur en plusieurs endroits (figure 5. 21). Ces replis, appelés crêtes mitochondriales, donnent une plus grande surface aux réactions chimiques qui peuvent se produire.

 

 

 

Figure 5.21 Une progection tri-dimensionnelle représentant, d'une façon plus concrète qu'une micrographie électronique, les crêtes mitochondriales dans la membrane interne d'une mitochondrie.

 

Les biologistes ont découvert que les cellules qui réclament de plus grandes quantités d'énergie ont plus de mitochondries que les autres. Ils ont donc supposé que ces organites jouaient un rôle dans la libération de l'énergie. On a confirmé depuis cette supposition. Les mitochondries sont le centre de la respiration de la cellule et elles contiennent des enzymes qui provoquent la scission de composés organiques riches en énergie. Il se produit alors une libération d'énergie qui peut être transférée à d'autres composés de même qu'à toute la cellule. Les mitochondries libèrent l'énergie qui active les cellules.

 

Les Lysosomes

La plupart des cellules semblent contenir des organites sphériques qu'on appelle des lysosomes. Ils sont entourés d'une membrane simple et sont généralement

plus petits que les mitochondries (figure 5.22). Ils semblent agir comme réservoirs de plusieurs enzymes digestives très puissantes. La membrane d'un lysosome résiste à l'action digestive des enzymes. S'il en était autrement, les enzymes s'échapperaient dans la cellule et en digéreraient le contenu. On observe que les enzymes se mettent immédiatement à décomposer le cytoplasme ambiant lorsque la membrane du Iysosome cède. On croit que les enzymes ont comme rôle de digérer les Bactéries et les matières étrangères qui se trouvent dans leur environnement. Elles accélèrent aussi la digestion des parties usées de la cellule. La digestion des glucides, des lipides et des protéines situés dans la cellule se fait aussi dans les lysosomes.

Ce sont les ribosomes qui produisent les enzymes digestives dans les Iysosomes; elles traversent le réticulum endoplasmique pour pénétrer dans les corps de Golgi et se loger dans les petits sacs qui se trouvent à leurs extrémités. Ces sacs grossissent pour devenir des Iysosomes qui digèrent certains matériaux et décomposent les grosses molécules en plus petites. Ces petites molécules s'échappent alors des lysosomes pour pénétrer dans le cytoplasme.

 

Les plastes

On trouve ces organites surtout dans les cellules des Plantes vertes et dans quelques Protistes. Certains plastes fabriquent la nourriture, alors que d'autres l'emmagasinent. Le plaste le plus commun est le chloroplaste. Il contient la chlorophylle nécessaire à la photosynthèse. Sa fonction primordiale est de produire des glucides.

Un chloroplaste contient des corps appelés grana (figure 5. 23). Ils sont constitués de différentes couches de lipides et de protéines entre lesquelles on trouve les molécules de chlorophylle. Les grana emprisonnent l'énergie lumineuse que réclame le phénomène de photosynthèse.

 

 

 

Figure 5.23 La structure d'un chloroplaste. Remarquez las structure du grana.

 

Certains chloroplastes contiennent d'autres pigments que la chlorophylle; c'est ainsi qu'ils peuvent contenir des carotènes, des pigments jaunes et orangés, ou de la xanthophylle, des pigments jaune pâle.

On retrouve deux autres genres de plastes dans les cellules végétales, ce sont les chromoplastes et les leucoplastes. Les chromoplastes contiennent des carotènes et de la xanthophylle en plus de pigments rouges ou bleus comme l'anthocyanine. On en retrouve dans les cellules de plusieurs fruits colorés, comme les Tomates, ou des fleurs, comme les Roses rouges.Les leucoplastes agissent surtout comme lieux d'entreposage des amidons. Ils contiennent des enzymes qui provoquent la conversion du glucose en amidon. Ce processus de conversion se produit surtout dans les leucoplastes en plus de se produire dans quelques chloroplastes. L'amidon étant insoluble dans l'eau, il ne peut se trouver ailleurs dans le protoplasme que dans les plastes. L'amidon doit se reconvertir en glucose s'il y a demande d'énergie ailleurs dans la cellule, car le glucose peut se dissoudre dans l'eau du protoplasme.

Le magnifique coloris des feuilles des Arbres à l'automne n'est pas causé par le gel comme on le prétend souvent. Les feuilles paraissent vertes l'été parce que le vert de la chlorophylle dans les feuilles cache le jaune et l'orangé des carotènes. La chlorophylle perd de sa force à l'automne parce que la journée est plus courte et que les températures sont plus basses. Les carotènes ne sont pas affectés par cette baisse de la lumière et des températures, ce qui fait paraître les feuilles jaunes et orangées. Il se produit également d'autres transformations chimiques, car il se forme parfois des pigments comme l'anthocyanine, un pigment rouge. On a remarqué que la forrnation d'anthocyanine augmente lorsque les journées d'automne sont chaudes et que les nuits sont fraîches. La journée chaude favorise la formation des sucres dans les feuilles et la nuit fraîche les empêche de se disperser dans l'Arbre alors que la couche d' abscission commence à se former.(La couche d'abscission est cette couche qui séparera éventuellement la feuille morte de l'Arbre.)La couche d'abscission capte tous les sucres des feuilles qui se convertissent avec d'autres composés en pigments rouges, I'anthocyanine. Le même phénomène de remplacement de la chlorophylle par l'anthocyanine se produit lorsque certains fruits, comme les Tomates, mûrissent. Le vert passe au rouge lorsque les chloroplastes se transforment en chromoplastes.

 

Les centrioles

La plupart des cellules animales contiennent une paire d'organites appelés centrioles. Ce sont deux ensembles de structure en forme de bâtonnets placés à angle droit l'un par rapport à l'autre, près du noyau. (La figure 5.13 en illustre l'arrangement et la localisation.) Chaque centriole est constitué de neuf bâtonnets disposés en forme de cylindre (figure 5.24). Chaque structure est faite à son tour de trois structures plus petites en forme de bâtonnets. Les centrioles jouent un rôle important dans la division cellulaire.

 

5.24 La structure d'un centriole. Remarquez que le centriole est constitué de neuf structures en forme de bâtonnets et que chaque structure est faite de bâtonnets plus petits.

 

La paroi cellulaire

La plupart des cellules végétales sont entourées d'une paroi cellulaire qui les supporte et les protège. Cette paroi est surtout faite de cellulose. Elle peut être mince dans le cas des structures végétales molles comme les feuilles, mais elle est plus épaisse dans le cas des structures dures et épaisses comme les tiges. Une tige devient ligneuse lorsqu'il s'y dépose de plus en plus de cellulose. Ces parois résistent longtemps après que la cellule est morte. On peut le vérifier dans un morceau de bois, car il n'est constitué que de parois de cellules mortes.

 

Les vacuoles

Il y avait des vacuoles dans la cellule épidermique de l'Oignon et dans la cellule d'Élodée que vous avez observées.Chaque vacuole contient un liquide, même si elle semble vide. Le liquide est une dispersion colloidale. Il se compose de molécules de protéines, de molécules de sucre, de molécules organiques et d'ions inorganiques tous en suspension dans l'eau. Ce mélange s'appelle la sève celliilaire. Chaque vacuole est entourée d'une membrane vacuolaire. Elle est produite par le cytoplasme et on la croit semblable à la membrane plasmique. Elle contrôle ainsi le mouvement des matériaux qui pénètrent dans la vacuole et ceux qui en sortent.

Certaines des cellules que vous avez examinées n'avaient qu'une seule grosse vacuole appelée vacuole centrale. On les retrouve souvent dans les vieilles cellules végétales. I1 arrive fréquemment, lorsqu'une cellule vieillit, que les petites vacuoles s'unissent pour former une grosse vacuole. Cette vacuole centrale finit parfois par repousser tout le contenu cellulaire contre la paroi.

Plusieurs Protistes aquatiques comme l'Amibe et la Paramécie contiennent des vacuoles qui servent surtout à &laqno;pomper» I'excès d'eau de l'organisme. Lorsque les vacuoles sont pleines, elles se déplacent vers la membrane plasmique. Elles se contractent alors et rejettent leur contenu hors de l'organisme. On les appelle des vacuoles contractiles.

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