1. Définitions

2. Evolution biologique des Procaryotes aux Eucaryotes : l'endosymbiose

3. Comparaison des caractéristiques des cellules des Procaryotes et des Eucaryotes

4. Exocytose et endocytose

5. Les organites des cellules des Eucaryotes

6. Infection d'une bactérie par un virus

7. Liens Internet et références bibliographiques

1. Définitions

La cellule est une entité logique : c'est un compartiment cloisonné par une membrane dans lequel sont regroupées toutes les molécules du vivant. Sans cette membrane ces biomolécules seraient diluées dans le milieu environnant.

Tout être vivant (donc tout organisme) est soit une cellule isolée, soit une association de plusieurs cellules.

Le concept de cellule a été énoncé en 1838 par Schwann et Schleiden. C'est avec l'avènement du microscope que l'on se rendit compte que la cellule est l'unité de base de la matière vivante.

C'est à Robert Hooke que l'on doit la première observation d'une cellule d'une mince tranche de liège. Figure ci-dessous : structure microscopique d'une coupe de liège dessinée par Robert Hooke et publiée en 1665 dans son traité "Micrographia".

Source : "Rare Books and Manuscripts Division" The New-York Public Library ; Astor, Lenox and Tilden Foudations

Il existe deux grands types d'organismes :

Les Procaryotes (du grec pro, avant et karyon, noyau) sont des êtres unicellulaires, dépourvus de noyau et bordés d'une membrane.

Le Procaryote le plus étudié est probablement la bactérie Escherichia coli (figure ci-dessous). Ces photographies au microscope électronique donnent une idée de l'échelle de Escherichia coli sur la pointe d'une épingle.

Source : "Biologie moléculaire de la cellule" Alberts et al. (1983)

Les Eucaryotes (du grec eu, propre) : leurs cellules sont généralement de plus grande taille, avec un noyau bordé d'une membrane.

Le plus souvent, elles contiennent aussi des membranes internes qui cloisonnent la cellule en y délimitant des organites qui ont des fonctions biologiques spécialisées (figure ci-dessous).

Source : "Molecular Cell Biology" (2nd Ed.) Darnell et al. (1990)

2. Evolution biologique des Procaryotes aux Eucaryotes : l'endosymbiose

Selon la théorie endosymbiotique énoncée par Max Taylor (1979) puis par Lynn Margulis (1993), les cellules Eucaryotes proviennent de l'association de plusieurs Procaryotes.

Cette théorie s'appuie entre autre sur les élèments suivants :

• la taille des mitochondries et des chloroplastes est semblable à celle des bactéries
• chacun de ces organites possède un matériel génétique (ADN) qui lui est propre
• chacun de ces organites possède le matériel nécessaire pour la synthèse protéique (ARNt, ribosomes, polymérases)
• chacun de ces organites peut se diviser par étranglement médian (après avoir dupliqué le matériel génétique)

Source : Futura-Sciences

La théorie endosymbiotique de l'origine de la cellule Eucaryote postule que la mitochondrie dérive d'une bactérie respirante et que le chloroplaste dérive des cyanobactéries.

Le monde vivant est divisé en 3 domaines :

• les Eubactéries
• les Archaea
• les Eucarya qui regroupent eux-mêmes : les protistes, les champignons, les animaux et les plantes.

Figure ci-dessous : l'origine des Eucaryotes selon la théorie d'une symbiose entre Procaryotes aérobies et anaérobies.

Source : "Biologie moléculaire de la cellule" Alberts et al. (1983)

Des analyses phylogénétiques fondées sur les séquences de gènes dupliqués avant la diversification de ces trois règnes ont suggéré que les Archaebactéries sont les Procaryotes les plus proches parents des Eucaryotes.

4. Exocytose et endocytose

Le transport des macromolécules biologiques est effectué par des vésicules membranaires et selon deux processus.

a. L'exocytose (sortie des macromolécules)

Le réticulum endoplasmique et l'appareil de Golgi échangent en permanence du matériel biologique. Ces molécules sont triées au niveau de l'appareil de Golgi puis exportées par des vésicules membranaires. Certaines vésicules fusionnent avec la membrane plasmique et leur contenu est liberé dans le milieu extérieur.

Remarque : "The 2013 Nobel Prize in Physiology or Medicine : James E. Rothman, Randy W. Schekman and Thomas C. Südhof. For their discoveries of machinery regulating vesicle traffic, a major transport system in our cells".

Dans la figure ci-dessous, la structure polarisée du dictyosome Golgien apparaît au travers de la distinction entre saccules cis, medium et trans qui n'ont ni la même forme, ni la même composition chimique.

Source : J.-C. Callen - "Biologie Cellulaire" (1999)

• Les vésicules périphériques permettent aux saccules de communiquer entre eux.
• Les vésicules de transition assurent le passage entre le réticulum endoplasmique rugueux et l'appareil de Golgi.

Dans les cellules sécrétrices la face trans est marquée par de volumineux grains de sécrétion.

b. L'endocytose (entrée des macromolécules)

Des parties de la membrane plasmique s'invaginent vers l'intérieur de la cellule. Elles forment des vésicules d'endocytose. La cellule peut ainsi faire entrer des molécules.

Les lysosomes sont des vésicules intracellulaires qui contiennent des enzymes de dégradation. Ces vésicules fusionnent avec les vésicules de phagocytose et leur contenu est dégradé. La cellule récupère ainsi les éléments de base constitutifs des macromolécules.

Le projet "Human Cell Atlas" (HCA)

On estime que le corps humain contient environ 37.200 milliards de cellules.

Le but du HCA est de caractériser toutes les cellules :

• Avec des méthodes d'analyses de cellules individualisées ("single-cell") : en particulier le séquençage d'ARN de cellules individualisées (scRNA-seq) et le dosage de la chromatine accessible par transposase (scATAC-seq).
• Ces informations sont reliées à des données classiques (emplacement, lignée et type, états cellulaires, transitions d'états et interactions cellule-cellule).

(A) La cartographie de protéines humaines dans 30 structures subcellulaires d'une seule cellule ("single cell") permet de définir 13 protéomes d'organites majeurs et 1 protéome de protéines sécrétées.

(B) Structures subcellulaires visualisées par microscopie à immunofluorescence : protéines (vert); microtubules marqués avec un anticorps anti-tubuline (rouge); noyau contre-coloré au DAPI (bleu). Le côté d'une image représente 64 µm.

Base de données :

• OpenOrganelle : visualisation des cellules et des tissus à l'échèlle du nanomètre.
• BioImage Model Zoo : modèles d'images générés par intelligence artificielle.