Introduction à la biologie cellulaire

Introduction

La cellule est la plus petite unité structurale, fonctionnelle et reproductrice de tous les êtres vivants. Chaque cellule est une entité vivante qui, dans un organisme pluricellulaire, fonctionne de manière autonome mais coordonnée avec les autres. Les cellules de même type sont réunies en tissus, eux-mêmes réunis en organes. La biologie cellulaire est la discipline qui étudie les cellules et leurs organites, les processus vitaux qui s'y déroulent et les mécanismes permettant leur survie : croissance, multiplication, métabolisme, communications. Son intérêt médical est direct : toute maladie est, en dernière analyse, un désordre cellulaire. Comprendre la cellule normale est le préalable obligé à la compréhension de la cellule pathologique — cellule cancéreuse, cellule infectée, cellule en souffrance métabolique. Ce chapitre introductif définit la cellule, oppose les deux formes fondamentales d'organisation — procaryote et eucaryote —, énumère les organites que nous étudierons un à un dans les chapitres suivants, situe le cas particulier des virus, puis présente les instruments d'étude qui ont permis toutes ces découvertes.

I. Les deux formes fondamentales d'organisation

A. La cellule procaryote

• Pas de noyau individualisé : le matériel génétique est libre dans le cytoplasme (bactéries, algues bleues).
• Pas d'organites, sauf les ribosomes.
• Entourée d'une membrane et parfois d'une paroi rigide.

B. La cellule eucaryote

• Noyau bien individualisé et organites en suspension dans le cytoplasme.
• Le cytoplasme est la totalité du volume cellulaire, à l'exception du noyau, entouré par la membrane plasmique (MP).
• Cytoplasme = hyaloplasme (cytosol) + organites cellulaires.
• Certains organismes eucaryotes sont unicellulaires — les protistes, animaux (protozoaires) ou végétaux (protophytes) ; d'autres sont pluricellulaires (métazoaires).

C. Les organites de la cellule eucaryote

D. Le cas particulier des virus

• Ils sont enveloppés d'une gaine protéique, la capside, et contiennent un acide nucléique (ADN OU ARN) — jamais les deux.
• Ils sont dépourvus des éléments nécessaires à leur métabolisme et à leur reproduction : ils ont impérativement besoin d'une cellule hôte. Ce sont donc des parasites intracellulaires obligatoires, et non des cellules.

II. Les instruments d'étude de la cellule

La biologie cellulaire utilise de nombreuses techniques, mais la technique reine reste la microscopie. C'est le microscope qui a permis la naissance de la discipline au XVIIe siècle, et il en demeure le principal moyen d'étude.

A. La microscopie optique (MO)

• Le microscope standard permet l'observation de cellules fixées et colorées, avec des grossissements de × 1 500 à × 2 000 et un pouvoir séparateur de 0,1 μm. C'est celui des travaux pratiques d'histologie.
• Le microscope à contraste de phase : la cellule survit rarement à la coloration ; ce microscope permet d'observer des cellules VIVANTES et non colorées.
• Le microscope à fluorescence : détecte la fluorescence en utilisant une lumière ultraviolette.
• Le microscope polarisant.

B. La microscopie électronique (ME)

Elle utilise, à la place des photons, un rayonnement électronique dont la longueur d'onde peut descendre à 0,005 nm. Le pouvoir de résolution théorique atteint 0,2 nm, soit 40 000 fois celui du microscope optique et 2 millions de fois celui de l'œil. En pratique, il est de 1 à 2 nm.

• Le ME à transmission (MET) : utilise en général 100 kilovolts ; les électrons traversent l'échantillon, dont l'épaisseur doit être inférieure à 0,1 μm. Le MET à haut voltage (1 million de volts) permet d'observer des échantillons plus épais et révèle la forme tridimensionnelle des organites.
• Le ME à balayage (MEB) : le faisceau d'électrons balaie l'échantillon, de gros volume, sans le traverser. Son pouvoir séparateur, supérieur à 10 nm, le destine à l'observation de la surface cellulaire.

C. La préparation des échantillons

Quelle que soit la microscopie utilisée, l'échantillon doit être préparé : fixation, déshydratation, inclusion, microtomie (coupes), étalement et coloration pour la microscopie optique ; inclusion en résines plastiques et contraste aux métaux lourds pour le MET ; métallisation pour le MEB.

D. Les techniques biochimiques

• Séparation des organites par centrifugation et ultracentrifugation — centrifugation différentielle (ou zonale) et centrifugation isopycnique.
• Isolement des protéines par chromatographie et par électrophorèse. La chromatographie sépare de petites molécules (oses, acides aminés, nucléotides) et des macromolécules au sein d'une phase mobile circulant sur un support solide ; on distingue la chromatographie de partage et la chromatographie sur colonne (échange d'ions, gel filtration).
• Estimation du poids moléculaire par électrophorèse sur gel. Les protéines, chargées électriquement, migrent vers le pôle positif si elles sont chargées négativement, vers le pôle négatif si elles sont chargées positivement.

E. Les autres approches

• La biologie moléculaire : biochimie des acides nucléiques.
• L'étude de cellules vivantes : la culture cellulaire.

Conclusion

La cellule est l'unité de base du vivant, et son organisation se décline en deux formes fondamentales. La cellule procaryote, sans noyau ni organites hormis les ribosomes, s'oppose à la cellule eucaryote, compartimentée par un système endomembranaire complexe et dotée d'un noyau individualisé. Cette compartimentation est la clé de l'efficacité de la cellule eucaryote : chaque organite constitue un microenvironnement spécialisé où se déroulent des réactions incompatibles entre elles. Toute cette connaissance découle des instruments d'étude : le microscope optique donne accès à la morphologie générale, le microscope électronique à l'ultrastructure, et les techniques biochimiques à la composition moléculaire. Les chapitres suivants reprendront un à un les organites énumérés ici, en commençant par la frontière de la cellule — la membrane plasmique — puis en gagnant progressivement le cytoplasme, les organites et le noyau.