Activité 1 : La cellule et sa membrane

Ce chapitre explore l'évolution de la compréhension du vivant, de l'échelle atomique à l'unité fondamentale qu'est la cellule, en abordant les principes fondateurs de la théorie cellulaire et la composition chimique du vivant.

L'élaboration de la théorie cellulaire est le fruit de plusieurs contributions historiques. Robert Hooke (1665) a été le premier à observer et nommer les « cellules » dans le liège. Au XIXe siècle, Matthias Schleiden (1838) a postulé que tous les tissus végétaux sont faits de cellules, une idée étendue aux animaux par Theodor Schwann un an plus tard. Rudolf Virchow (1855) a établi que toute cellule provient d'une autre cellule. Enfin, Louis Pasteur (1859) a réfuté la théorie de la génération spontanée avec son expérience du col de cygne, renforçant le principe de la continuité cellulaire. Le concept de LUCA (Last Universal Common Ancestor) désigne l'ancêtre commun à toutes les formes de vie cellulaires actuelles.

La matière vivante est caractérisée par une composition chimique spécifique. Alors que l'Univers est principalement composé d'hydrogène (H) et d'hélium (He), et la croûte terrestre d'oxygène (O) et de silicium, les êtres vivants sont majoritairement constitués de quatre éléments chimiques : Carbone (C), Hydrogène (H), Oxygène (O) et Azote (N). Ces éléments s'assemblent pour former des molécules organiques complexes, essentielles à la vie.

Ces molécules s'organisent en structures de différentes tailles. Un atome mesure environ 0,1 nm ($10^{-10}$ m), une molécule environ 1 nm ($10^{-9}$ m), et une cellule peut atteindre 50 µm ($5 \times 10^{-5}$ m), soit environ 0,05 mm. Comprendre ces ordres de grandeur est crucial pour appréhender l'organisation du vivant, du moléculaire au cellulaire, l'unité fondamentale de la vie.

La membrane plasmique est une structure essentielle qui délimite la cellule, régulant les échanges avec le milieu extérieur. Sa structure est qualifiée de trilaminaire et se compose principalement de lipides, de protéines et, en moindre proportion, de glucides.

Les lipides membranaires sont principalement des phospholipides, des molécules amphiphiles. C'est cette nature amphiphile qui confère aux cellules leur forme sphérique et permet la formation d'une bicouche lipidique, barrière sélective pour la cellule. Au microscope électronique, la membrane plasmique apparaît avec trois couches distinctes.

Les protéines, comme les protéines canal, sont intégrées à la membrane. Elles jouent un rôle crucial dans les échanges cellulaires, permettant le passage sélectif de substances. Les aquaporines en sont un exemple, facilitant spécifiquement le transport de l'eau pour maintenir un volume cellulaire constant.

Des dysfonctionnements de ces protéines peuvent entraîner des pathologies, comme la canalopathie sodique, où un canal sodium non fonctionnel perturbe le transport des ions Na+ et les échanges essentiels au bon fonctionnement cellulaire. Ces structures complexes sont observées grâce au microscope électronique qui révèle leur aspect tridimensionnel.