Théorie cellulaire et exploration microscopique

Rappel sur le Concept de Cellule Vivante

Ce chapitre explore l'histoire et la compréhension de la cellule comme unité fondamentale du vivant, depuis les premières observations microscopiques jusqu'à la théorie cellulaire moderne.

Calcul de Grossissement Total

Le grossissement total d'un microscope est le produit du grossissement de l'oculaire et de l'objectif.

Formule: Grossissement TOTAL = Grossissement Oculaire × Grossissement Objectif

Exemple: Si le grossissement total est de 600 et l'oculaire est x15, l'objectif utilisé est:

L'objectif utilisé est donc x40.

Conversions d'Unités de Mesure

Comprendre les échelles de taille est crucial en biologie cellulaire.

I. Des Premières Observations à la Théorie Cellulaire

La théorie cellulaire est un pilier de la biologie moderne, fruit de siècles d'observations et d'expérimentations.

Frise Chronologique de l'Élaboration de la Théorie Cellulaire

Énoncé de la Théorie Cellulaire

1. La cellule est la plus petite entité vivante.

2. Tous les êtres vivants sont constitués de cellules.

3. Toute cellule provient d’une autre cellule.

La Controverse: Théorie Cellulaire vs. Génération Spontanée

La théorie cellulaire s'est opposée à la notion de génération spontanée, qui postulait l'apparition de la vie à partir de matière inanimée.

Définition: La génération spontanée est une notion faisant la supposition de l'apparition sans ascendant, d'êtres vivants à partir de la matière inanimée.

Cette croyance était répandue, par exemple, l'idée que des souris pouvaient naître spontanément d'un tas de chiffons.

L'Expérience de Pasteur

Louis Pasteur a réfuté la génération spontanée par une expérience clé:

• Un bouillon stérile dans un flacon à col de cygne (recourbé en S) est resté stérile car la courbure emprisonnait la poussière et les micro-organismes.

• Si le col était cassé, permettant aux micro-organismes de l'air d'entrer en contact avec le bouillon, celui-ci se détériorait.

Cette expérience a démontré que la vie ne peut provenir que de la vie préexistante, confirmant ainsi le troisième postulat de la théorie cellulaire: « Toute cellule provient d'une autre cellule ».

II. L'Exploration des Cellules au Microscope

Les microscopes sont des outils essentiels pour l'étude des cellules, chacun offrant des capacités d'observation uniques.

Comparaison des Types de Microscopes

Méthode pour Calculer la Taille Réelle à Partir d'un Grossissement

Pour déterminer la taille réelle d'un objet observé au microscope, on utilise la formule:

Taille réelle = Taille mesurée sur la photo / Grossissement

Exemple: Pour un frottis sanguin humain observé au MO (Grossissement x 600), si la taille mesurée d'un globule rouge est de 0,3 cm (soit ):

Taille réelle =

La taille réelle d'un globule rouge est de .

Méthode pour Calculer la Taille Réelle à Partir d'une Échelle

Lorsque l'image inclut une échelle, la taille réelle peut être calculée par proportionnalité.

Exemple: Pour une bactérie observée au MET avec une échelle de 0,6 cm représentant . Si la bactérie mesure 4,3 cm sur la photo:

Taille réelle de la bactérie =

Taille réelle de la bactérie =

La taille réelle de la bactérie est de .

L'Exploration des Niveaux d'Organisation du Vivant

Le vivant est organisé en niveaux hiérarchiques, de l'atome à l'organisme.

• Atomes: magnésium, azote, carbone, hydrogène, oxygène

• Molécules: chlorophylle (2,3 nm)

• Organites: chloroplaste (4 µm), noyau, mitochondrie, vacuole

• Cellules: cellule chlorophyllienne (150 µm), cellule buccale (40 µm), levure (5 µm), bactérie (2 µm)

• Organisme: élodée

Exercice d'Application: Cellule Foliaire vue au MO

Calcul de la taille réelle d'une cellule végétale:

Taille réelle de la cellule végétale =

La taille d'une cellule végétale est de .

Exercice d'Application: Chloroplaste vu au MET

Calcul de la taille réelle d'un chloroplaste:

Taille réelle du chloroplaste =

La taille d'un chloroplaste vu au MET est d'environ .

Exercice d'Application: Molécule de Chlorophylle

Calcul de la taille réelle d'une molécule de chlorophylle:

Taille réelle de la molécule de chlorophylle =

La taille d'une molécule de chlorophylle est de .

Bilan: Organisation Cellulaire

Les cellules sont classées en deux grandes catégories selon leur structure interne.

• Cellule procaryote:

  • Absence de noyau et d'organites délimités par une membrane.

  • Comprend: cytoplasme, paroi, membrane plasmique, information génétique libre.

  • Exemple: Bactérie (environ ).

• Cellule eucaryote:

  • Présence d'un noyau et d'autres organites délimités par une membrane.

  • Comprend: noyau, mitochondrie, membrane plasmique, cytoplasme, (paroi et chloroplaste pour les cellules végétales, vacuole).

  • Exemples:

    • Cellule buccale d'homme (environ ).

    • Cellule chlorophyllienne de feuille (environ ).

    • Levure (champignon, environ ).

Définition: Une cellule est délimitée par une membrane plasmique (= membrane cellulaire) qui délimite la cellule et sépare le milieu intérieur (le cytoplasme) du milieu extérieur.

III. La Membrane Plasmique

La membrane plasmique est une structure essentielle qui régule les échanges entre la cellule et son environnement.

Concentrations Intracellulaire et Extracellulaire

Les concentrations de diverses substances diffèrent significativement entre le cytoplasme et le plasma sanguin, démontrant la sélectivité de la membrane plasmique.

• Les ions (, , , ) ont des concentrations différentes, indiquant une perméabilité différentielle de la membrane.

• L'hémoglobine est présente dans le cytoplasme des hématies mais absente du plasma, montrant l'imperméabilité de la membrane à cette protéine.

Échanges de Glucose

Le glucose marqué du milieu extracellulaire se retrouve dans le cytoplasme, prouvant son entrée dans la cellule. L'effort musculaire et l'insuline augmentent ce flux, soulignant le rôle régulateur de la membrane et des hormones.

Échanges d'Eau et Plasmolyse

L'eau traverse la membrane plasmique, un phénomène observable avec les vacuoles des cellules végétales.

Cellule d'épiderme d'oignon	Dans une goutte d'eau NON salée	Placée dans une goutte d'eau salée
Photo au MO x 400
Effet	Entrée de l'eau => TURGESCENCE	Sortie de l'eau => PLASMOLYSE

En présence d'eau salée, la vacuole se rétracte, car l'eau quitte la cellule pour le milieu extérieur plus concentré. Cela démontre que la membrane plasmique permet des échanges d'eau, soit directement, soit via des canaux protéiques comme les aquaporines.

La salaison est une méthode de conservation alimentaire basée sur la plasmolyse bactérienne. En plaçant des cellules dans un milieu très salé, l'eau cytoplasmique migre vers l'extérieur, entraînant la mort des bactéries et évitant la contamination.

Bilan sur la Membrane Plasmique

• La membrane plasmique délimite le milieu intracellulaire (cytoplasme) du milieu extracellulaire.

• Elle permet l'échange sélectif d'eau, de certains ions et molécules.

• Ces échanges peuvent se faire directement à travers la membrane ou via des protéines canal (ex: aquaporines pour l'eau).

• Les concentrations intracellulaires et extracellulaires sont différentes en raison de cette sélectivité.

• Des molécules exogènes comme l'insuline peuvent moduler ces échanges.

Structure de la Membrane Plasmique

La membrane plasmique est principalement constituée d'une bicouche de phospholipides et de protéines.

• Phospholipides:

  • Tête polaire: hydrophile (aime l'eau), orientée vers les milieux aqueux (intra et extracellulaire).

  • Queues hydrophobes: n'aiment pas l'eau, orientées vers l'intérieur de la bicouche.

• Protéines: Intégrées ou associées à la bicouche lipidique, elles assurent diverses fonctions, notamment le transport de molécules hydrophiles (ex: aquaporines).

Cette structure est stabilisée par les propriétés amphiphiles des phospholipides, formant une barrière sélective de 70 nm d'épaisseur.

IV. Les Virus sont-ils des Cellules?

La question de savoir si les virus sont vivants est complexe et se pose au regard de la théorie cellulaire.

Comparaison Virus vs. Cellule

• Structure:

  • Virus (ex: SARS-CoV-2): Ne présente pas de membrane plasmique, mais une enveloppe protéique. Il n'est donc pas une cellule.

  • Cellule: Délimitée par une membrane plasmique qui sépare le cytoplasme du milieu extérieur.

• Taille:

  • Virus: De l'ordre du nanomètre (ex: SARS-CoV-2, 80 nm).

  • Cellule: De l'ordre du micromètre (dizaine de pour une cellule animale, centaine de pour une cellule végétale).

Principes de la Théorie Cellulaire et les Virus

1. La cellule est la plus petite entité vivante.

2. Tous les êtres vivants sont constitués de cellules.

3. Toute cellule provient d'une autre cellule.

Le SARS-CoV-2, n'étant pas constitué de cellule, ne respecte pas le principe (2).

Pourquoi les Virus sont des « Parasites Cellulaires Obligatoires »?

Les virus ne sont pas autonomes dans leur reproduction. Ils détournent la machinerie cellulaire de leur hôte en y insérant leur matériel génétique, forçant la cellule à produire de nouveaux virus. Ils sont donc des "parasites cellulaires" (dépendent des cellules) et "obligatoires" (ne peuvent se reproduire sans cellule et n'ont pas de métabolisme propre).

Conclusion: Les Virus sont-ils Vivants?

Selon les principes de la théorie cellulaire, les virus ne sont pas considérés comme vivants car ils ne sont pas constitués de cellules. De plus, leur dépendance totale aux cellules hôtes pour leur reproduction et leur absence de métabolisme propre les apparentent à des particules inertes en dehors d'une cellule.

Exercice: La Membrane Cellulaire: Simple Couche ou Bicouche?

L'expérience historique de Gorter et Grendel (1925) a apporté des preuves cruciales pour le modèle de la bicouche lipidique.

Principaux Résultats de l'Expérience de Gorter et Grendel

1. Calculer la surface membranaire totale des globules rouges de chaque échantillon.

Formule: Surface membranaire totale = Volume de sang testé × Nombre de globules rouges par × Surface membranaire d'un globule rouge

• Mouton:

• Lapin:

• Homme:

2. Comparer les surfaces membranaires obtenues pour chaque espèce avec la surface des lipides extraits des échantillons.

Pour chaque espèce, le rapport entre la surface des lipides extraits et la surface membranaire totale est approximativement de 2.

• Mouton:

• Lapin:

• Homme:

3. Expliquer comment cette expérience a appuyé le modèle de la structure en bicouche lipidique de la membrane.

L'expérience de Gorter et Grendel a montré que la surface totale des lipides extraits de la membrane des globules rouges était environ le double de la surface totale des membranes de ces mêmes globules rouges. Cela suggère que les lipides ne forment pas une simple couche à la surface de la cellule, mais qu'ils sont organisés en une bicouche, où deux couches de lipides sont juxtaposées.

4. Schématiser une membrane de globule rouge.

La membrane plasmique est constituée d'une bicouche de phospholipides. Chaque phospholipide possède une tête hydrophile (polaire) et deux queues hydrophobes (non polaires). Les têtes hydrophiles sont orientées vers les milieux aqueux (extérieur et intérieur de la cellule), tandis que les queues hydrophobes se font face à l'intérieur de la bicouche, formant une barrière lipidique.