Structure cellulaire

Les cellules sont très petites, donc on ne peut pas les voir à l'œil nu. On utilise un microscope pour obtenir une image agrandie. Le premier type rencontré est le microscope optique. Il fait passer la lumière à travers un échantillon mince (la matière observée) et utilise des lentilles en verre pour agrandir la vue.

Préparer une lame et dessiner ce que vous voyez

Pour observer un matériel vivant, on réalise une préparation temporaire. On pose un petit morceau fin de matériel sur une lame de verre, on ajoute une goutte de colorant (liquide coloré facilitant la visualisation des parties), puis on abaisse une lamelle fine par-dessus pour aplatir l'échantillon et exclure l'air.

Lorsque vous dessinez des cellules à partir d'une lame ou d'une photographie, suivez ces règles simples :

• utilisez un crayon bien taillé et des traits clairs et simples (pas de hachures).
• ne dessinez que ce que vous pouvez réellement voir, avec les parties aux bonnes tailles.
• étiquetez les parties avec des lignes droites qui ne se croisent pas.

Grossissement et taille réelle

Grossissement indique combien de fois l'image est plus grande que l'objet réel. Il n'a pas d'unité. On le calcule avec une seule équation :

Vous pouvez réarranger celle-ci pour trouver n'importe quelle valeur à partir des deux autres :

Le haut et le bas de la fraction doivent utiliser la même unité. Les cellules sont minuscules, donc vous travaillez avec de petites unités :

• $1\ \text{mm} = 1000\ \text{micrometre}$ (µm)
• $1\ \text{µm} = 1000\ \text{nanometre}$ (nm)
• donc $1\ \text{mm} = 1\,000\,000\ \text{nm}$.

Exemple résolu. Sur une photomicrographie à un grossissement de $5000$, un chloroplaste mesure $25\ \text{mm}$ de large. Sa taille réelle est

La même équation s'applique aux dessins, aux photomicrographies (photos prises au microscope optique) et aux micrographies électroniques (les images les plus détaillées, expliquées ci-dessous). Convertissez toujours en même unité d'abord, puis divisez.

Exemple corrigé (une barre d’échelle). Une micrographie électronique comporte une barre d’échelle portant l’indication $1\ \mu\text{m}$ ; la barre mesure $20\ \text{mm}$ à la règle. Déterminez le grossissement, puis la longueur réelle d’une mitochondrie qui mesure $48\ \text{mm}$ sur l’image. Conversion : $20\ \text{mm} = 20\,000\ \mu\text{m}$. Grossissement $= 20\,000 \div 1 = \times 20\,000$. Longueur réelle $= 48\,000\ \mu\text{m} \div 20\,000 = 2.4\ \mu\text{m}$. Donnez un grossissement comportant autant de chiffres significatifs que les données, avec un signe × et sans unité.

Reticule oculaire et micromètre de scène

Pour mesurer une cellule réelle au microscope, on utilise un réticule oculaire — une petite échelle située dans l'oculaire. Ses graduations n'ont pas de taille fixe, il faut donc d'abord les calibrer (déterminer la valeur d'une graduation).

Vous effectuez l'étalonnage à l'aide d'un micromètre de scène — une lame spéciale munie d'une échelle précise (souvent $1\ \text{mm}$ divisée en $100$ parties, donc chaque partie mesure $10\ \text{µm}$). Vous alignez les deux échelles, comptez combien de divisions du réticule correspondent à une longueur connue, puis divisez. Une fois étalonné, vous pouvez remplacer par votre spécimen et le mesurer avec le réticule.

Exemple corrigé. Avec l’objectif ×40, 40 unités de l’oculaire correspondent exactement à 10 divisions d’un micromètre objet dont les divisions mesurent chacune $10\ \mu\text{m}$. (a) Déterminez la valeur d’une unité de l’oculaire. (b) Une cellule mesure 16 unités de l’oculaire. Déterminez sa longueur réelle. (a) 10 divisions $= 10 \times 10 = 100\ \mu\text{m}$, donc une unité de l’oculaire $= 100 \div 40 = 2.5\ \mu\text{m}$. (b) $16 \times 2.5 = 40\ \mu\text{m}$. Avec un autre objectif, la valeur d’une unité de l’oculaire change ; le réticule doit donc être étalonné de nouveau. Mesurez plusieurs cellules et calculez la moyenne.

Résolution et grossissement

Ces deux mots sont faciles à confondre. L'examinateur donne des points pour la différence.

• Le grossissement est le nombre de fois que l'image est plus grande que l'objet.
• Résolution est la plus petite distance entre deux points qui permet encore de les distinguer comme deux points séparés.

Agrandir une image ne montre pas toujours plus de détails. Au-delà d'un certain point, vous obtenez simplement une image plus grande mais floue. La résolution définit la limite réelle des détails.

Un microscope optique a une résolution inférieure car la lumière a une longueur d'onde relativement longue. Un microscope électronique utilise des faisceaux d'électrons au lieu de la lumière. Les électrons ont une longueur d'onde beaucoup plus courte, ce qui offre une bien meilleure résolution et permet d'observer de très petites structures à l'intérieur de la cellule. Il existe deux types : balayage (montre la surface en 3D) et transmission (passe les électrons à travers une coupe fine pour montrer les détails internes).

Un microscope optique peut montrer le noyau, les chloroplastes et, tout juste, les mitochondries, mais pas les ribosomes, le réticulum endoplasmique ni les détails des membranes, qui mesurent moins de 200 nm. Ces détails de l’ultrastructure ne sont visibles qu’au microscope électronique.

Les cellules végétales et animales sont des cellules eucaryotes : leur ADN est contenu dans un noyau. À l'intérieur de la cellule se trouvent de nombreuses petites structures appelées organites, chacun ayant sa propre fonction. Le fluide gélatineux qui les entoure est le cytoplasme.

Dans une photomicrographie ou une microphotographie électronique, vous identifiez les organites par leur forme, leur taille et leur position ; sur un dessin, vous représentez leurs contours et les légendez.

Les cellules utilisent l'ATP produite lors de la respiration comme source d'énergie pour chaque tâche nécessitant de l'énergie, comme la fabrication de protéines, le transport de substances et la division.

Comment les organites travaillent ensemble : fabrication et sécrétion d’une protéine.

1. Le gène de la protéine est transcrit dans le noyau ; l’ARNm sort par un pore nucléaire.
2. Les ribosomes du réticulum endoplasmique rugueux traduisent l’ARNm, et la protéine pénètre dans l’espace intérieur du réticulum endoplasmique rugueux, où elle se replie.
3. La protéine est transportée dans une vésicule qui bourgeonne à partir du réticulum endoplasmique rugueux et fusionne avec l’appareil de Golgi.
4. Dans l’appareil de Golgi, la protéine est modifiée (par exemple, un glucide est ajouté pour former une glycoprotéine) et emballée dans de nouvelles vésicules.
5. Les vésicules se déplacent le long des microtubules jusqu’à la membrane plasmique, fusionnent avec elle et libèrent la protéine à l’extérieur de la cellule (exocytose).
6. Les mitochondries fournissent l’ATP nécessaire à la synthèse des protéines et au déplacement des vésicules.

Les cellules qui sécrètent beaucoup de protéines, comme les cellules du pancréas qui produisent des enzymes digestives, possèdent beaucoup de réticulum endoplasmique rugueux, un grand appareil de Golgi et de nombreuses mitochondries.

Reconnaître les organites sur une micrographie électronique. Le noyau est la structure la plus grande ; il comporte une zone plus sombre (le nucléole) et une double membrane percée de pores. Les mitochondries sont ovales, mesurent environ $1$–$5\ \mu\text{m}$ de long et possèdent une membrane interne repliée en crêtes. Le réticulum endoplasmique rugueux ressemble à des lignes parallèles parsemées de petits points noirs (les ribosomes) ; le réticulum endoplasmique lisse ne présente pas de points et a une forme plus tubulaire. L’appareil de Golgi est un empilement de sacs aplatis et courbés, bordés de petites vésicules rondes. Les chloroplastes sont plus grands que les mitochondries et contiennent des empilements de thylakoïdes (grana).

Comparaison des cellules végétales et animales

Elles possèdent toutes deux une membrane plasmique, un cytoplasme, un noyau, des mitochondries, des ribosomes, du RE et un appareil de Golgi.

Une cellule procaryote, comme une bactérie, est beaucoup plus petite et plus simple qu'une cellule eucaryote. Ses caractéristiques principales sont :

• unicellulaire — elle se compose d'une seule cellule.
• généralement large de $1$–$5\ \text{µm}$.
• une paroi cellulaire constituée de peptidoglycane (et non de cellulose).
• ADN circulaire libre dans le cytoplasme — il n'y a pas de noyau.
• $70\text{S}$ ribosomes (plus petits que ceux du $80\text{S}$ dans le cytoplasme des eucaryotes).
• pas d'organites entourés d'une double membrane — donc pas de noyau, pas de mitochondries ni de chloroplastes.

Comparaison des cellules procaryotes et eucaryotes

Tous les virus sont non cellulaires — ils ne sont pas constitués de cellules. Chaque virus est composé de seulement deux ou trois parties :

• un noyau de lishs (acides nucléiques), qui est soit de l'ADN soit de l'ARN (jamais les deux).
• une capside protéique entourant le noyau, appelée capside. Note : Le terme original anglais répète 'protein coat... called a capsid'. La traduction française correcte est : une capside protéique entourant le noyau.
• chez certains virus, une enveloppe externe constituée de phospholipides. Note : Traduction du texte source 'outer envelope made of phospholipids'.

Un virus ne possède ni cytoplasme, ni organites, ni ribosomes. Il ne peut pas respirer ni fabriquer ses propres protéines. Il ne peut se répliquer qu’à l’intérieur d’une cellule hôte vivante ; il se situe donc à la limite de ce que nous appelons « vivant ».

Erreurs fréquentes.

• Affirmer qu'un grossissement plus élevé montre toujours plus de détails. Les détails sont limités par la résolution ; au-delà de celle-ci, le grossissement ne donne qu'une image plus grande mais floue.
• Dire que les microscopes électroniques sont meilleurs « parce qu’ils grossissent davantage ». La raison essentielle est que les électrons ont une longueur d’onde plus courte, ce qui donne une résolution plus élevée.
• Mesurer avec un oculaire muni d'une grille sans l'étalonner. Ses divisions n'ont pas de taille fixe ; il faut l'étalonner contre une micromètre de scène pour chaque objectif, car la valeur change avec le grossissement.
• Dire que les ribosomes sont des organites délimités par une membrane. Les ribosomes n'ont aucune membrane, c'est pourquoi les procaryotes en possèdent.
• Dire que les mitochondries « fabriquent de l’énergie ». Elles libèrent de l’énergie par la respiration et l’utilisent pour fabriquer de l’ATP.
• Dire que les bactéries ont une paroi cellulaire en cellulose. La paroi cellulaire bactérienne est constituée de peptidoglycane. Note : Correction factuelle.
• Décrire un virus avec une membrane plasmique, un cytoplasme ou des ribosomes. Un virus n'est pas une cellule : il ne contient que des acides nucléiques dans une capside, parfois avec une enveloppe.
• Donner une unité au grossissement. Le grossissement n’a pas d’unité : écrivez $\times 20\,000$.

• Grossissement $=$ taille image $\div$ taille réelle — convertissez les unités d'abord ($\text{mm} \leftrightarrow \mu\text{m} \leftrightarrow \text{nm}$), puis réarrangez pour trouver la valeur inconnue.
• Distinguez le grossissement (combien de fois plus grand) de la résolution (plus petite distance encore visible comme deux points) ; les microscopes électroniques résolvent mieux car les électrons ont une longueur d'onde plus courte.
• Donnez à chaque organite une paire structure + fonction (ex. mitochondrie : membrane interne repliée → respiration aérobie).
• Énoncez exactement les différences procaryote vs eucaryote : pas de noyau, ribosomes plus petits (70S), pas d'organites membranaires, ADN circulaire.
• Les virus ne sont pas des cellules (acellular) — décrivez-les uniquement par leur capside, leur matériel génétique et (parfois) une enveloppe.