Biologie cellulaire

Pourquoi c’est important. En 1665, le scientifique anglais Robert Hooke a publié Micrographia, un livre de dessins réalisés à l’aide du microscope qu’il avait lui-même construit. En observant une fine tranche de liège, il a vu qu’elle était remplie de minuscules compartiments vides. Ils lui rappelaient les petites pièces dans lesquelles vivaient les moines, il les a donc appelés « cellules ». Onze ans plus tard, en 1676, le marchand de draps néerlandais Antonie van Leeuwenhoek a écrit à la Royal Society de Londres qu’il avait vu de « très petits animalcules » nager dans une goutte d’eau : c’était la première observation de bactéries consignée par écrit. Tous les êtres vivants sont constitués de cellules, et presque tout en biologie, de la contraction d’un muscle au fonctionnement d’un antibiotique, commence par ce qui se passe à l’intérieur de celles-ci.

Dans cette unité, vous allez :

• comparer les cellules animales, végétales et bactériennes, et associer chaque partie de la cellule à sa fonction ;
• expliquer comment les cellules se spécialisent et calculer le grossissement ;
• cultiver des bactéries en toute sécurité et tester des antibiotiques (biologie uniquement) ;
• décrire le cycle cellulaire, la mitose et les utilisations des cellules souches ;
• expliquer la diffusion, l’osmose et le transport actif, ainsi que les raisons pour lesquelles les grands organismes ont besoin de surfaces d’échange.

AQA GCSE Biologie (8461), thème 4.1 Biologie cellulaire, évalué dans l’épreuve 1. Il comprend trois travaux pratiques obligatoires : l’utilisation d’un microscope optique (RP1), le test d’antiseptiques et d’antibiotiques sur des bactéries (RP2, biologie uniquement) et l’osmose dans les tissus végétaux (RP3). La culture de micro-organismes relève uniquement de la biologie ; les contenus marqués (HT) concernent uniquement le niveau supérieur.

Les cellules eucaryotes, comme les cellules animales, végétales et les cellules de levure, conservent leur matériel génétique dans un noyau. Les cellules procaryotes, c’est-à-dire les bactéries, n’ont pas de noyau : leur ADN forme une boucle unique dans le cytoplasme, et beaucoup possèdent aussi de petits anneaux d’ADN appelés plasmides. Les cellules bactériennes sont beaucoup plus petites, mesurant généralement de 1 à 5 micromètres de long, tandis que la plupart des cellules animales et végétales mesurent de 10 à 100 micromètres.

Parties des cellules animales et végétales.

• Le noyau contient l’ADN et contrôle les activités de la cellule.
• La membrane cellulaire contrôle ce qui entre dans la cellule et ce qui en sort.
• Le cytoplasme est une substance gélatineuse où se déroulent de nombreuses réactions chimiques.
• Chaque mitochondrie est le lieu où la respiration aérobie libère de l’énergie.
• Chaque ribosome est le lieu où les protéines sont fabriquées.

Les cellules végétales possèdent aussi :

• une paroi cellulaire composée de cellulose, qui soutient la cellule ;
• une vacuole permanente remplie de suc vacuolaire, qui maintient la cellule ferme ;
• dans les parties vertes de la plante, un chloroplaste dans lequel se déroule la photosynthèse. Les cellules des racines sont souterraines et ne possèdent pas de chloroplastes.

Les cellules bactériennes possèdent une membrane cellulaire, du cytoplasme, des ribosomes et une paroi cellulaire (qui n’est pas composée de cellulose), mais ni noyau, ni mitochondries, ni chloroplastes. Un plasmide est un petit anneau supplémentaire d’ADN, qui porte souvent des gènes tels que ceux de la résistance aux antibiotiques.

Légende des numéros : 1 noyau, 2 membrane cellulaire, 3 cytoplasme, 4 mitochondrie, 5 ribosome, 6 paroi cellulaire, 7 vacuole permanente, 8 chloroplaste, 9 boucle d’ADN, 10 plasmide.

Exemple corrigé 1. Une question présente une cellule bactérienne et une cellule de levure. Nommez deux structures présentes dans la cellule de levure et absentes de la cellule bactérienne. Réponse : un noyau et des mitochondries (une vacuole permanente rapporte également des points). « La cellule de levure est plus complexe » ne rapporte aucun point : nommez les structures.

Les cellules spécialisées possèdent des caractéristiques adaptées à leur fonction. Dans une réponse, donnez la caractéristique puis expliquez en quoi elle est utile.

La différenciation est le processus par lequel une cellule acquiert les structures spécialisées dont elle a besoin pour remplir une fonction. La plupart des cellules animales se différencient tôt au cours du développement et conservent ensuite leur type ; chez les animaux adultes, la division cellulaire sert principalement à la réparation et au remplacement. De nombreuses cellules végétales peuvent se différencier tout au long de la vie de la plante.

Un microscope optique utilise de la lumière et des lentilles ; il grossit jusqu’à environ 1500 fois. Un microscope électronique utilise un faisceau d’électrons. Les microscopes électroniques ont un grossissement et un pouvoir séparateur (résolution) beaucoup plus élevés ; ce dernier est la capacité à montrer deux points proches comme distincts. C’est pourquoi ils ont révélé les ribosomes et l’intérieur des mitochondries, que les microscopes optiques ne peuvent pas montrer. Agrandir une image floue ne permet pas de voir plus de détails.

Le grossissement n’a pas d’unité. La taille de l’image et la taille réelle doivent être exprimées dans la même unité avant la division. À retenir : 1 mm = 1000 µm (micromètres) et 1 µm = 1000 nm (nanomètres).

Exemple corrigé 2. L’image d’une cellule mesure 4.8 cm de long avec un grossissement de ×1200. Calculez sa longueur réelle en micromètres. $4.8\ \text{cm} = 48\ \text{mm} = 48\,000\ \mu\text{m}$, donc la taille réelle est $= \frac{48\,000}{1200} = 40\ \mu\text{m}$.

Exemple corrigé 3 (HT). Une structure cylindrique a un volume de 24 500 000 nm³ et un rayon de 125 nm. Son image mesure 4 mm de long. Calculez le grossissement en utilisant $\pi = 3.14$. Longueur réelle : $= \frac{V}{\pi r^2} = \frac{24\,500\,000}{3.14 \times 125^2} = 499.4$ nm. Longueur de l’image : $= 4$ mm $= 4\,000\,000$ nm. Grossissement : $= \frac{4\,000\,000}{499.4} = 8010$, écrit ×8010 sans unité. Conservez la valeur complète de la longueur réelle jusqu’à la dernière étape.

Travail pratique obligatoire 1 : utilisation d’un microscope optique. Placez un échantillon fin, comme une pellicule d’oignon colorée à l’iode, sur une lame sous une lamelle. Commencez avec l’objectif de plus faible grossissement, faites la mise au point avec la vis macrométrique, puis passez à un grossissement supérieur et utilisez la vis micrométrique. Dessinez ce que vous voyez réellement avec des contours nets, sans ombrage, légendez les structures et indiquez le grossissement (oculaire × objectif) ou ajoutez une barre d’échelle.

Les bactéries se reproduisent par division binaire : une cellule se divise en deux. Dans de bonnes conditions, certaines bactéries se divisent jusqu’à une fois toutes les 20 minutes. Elles peuvent être cultivées dans un bouillon nutritif liquide ou sous forme de colonies sur un gel de gélose.

Exemple corrigé 4. Une bactérie se divise toutes les 20 minutes. Combien y a-t-il de bactéries après 3 heures ? Nombre de divisions : $= 180 \div 20 = 9$, donc le nombre de bactéries est $1 \times 2^9 = 512$. (HT) En notation scientifique, après 2 heures, il y a $2^6 = 64 = 6.4 \times 10^1$ bactéries. Cela suppose que les bactéries disposent de suffisamment de nourriture et d’espace.

Technique aseptique. La technique aseptique empêche la contamination de la culture par des micro-organismes indésirables. Chaque étape a une raison :

• stériliser les boîtes de Petri et les milieux de culture avant utilisation, pour tuer les micro-organismes qui s’y trouvent déjà ;
• passer l’anse d’ensemencement dans une flamme avant utilisation, pour tuer les micro-organismes qui s’y trouvent ;
• soulever le couvercle très légèrement, afin que les micro-organismes présents dans l’air ne tombent pas à l’intérieur ;
• fixer le couvercle avec du ruban adhésif (mais sans le sceller sur tout son pourtour), afin que l’oxygène puisse encore entrer et que les bactéries anaérobies nuisibles ne se développent pas ;
• conserver la boîte à l’envers, afin que les gouttes de condensation ne tombent pas sur la gélose.

À l’école, les cultures sont maintenues à 25 °C ou moins, ce qui réduit la croissance des bactéries susceptibles de provoquer des maladies chez l’être humain. Les laboratoires hospitaliers utilisent une température de 37 °C, celle du corps, pour accélérer la croissance des cultures.

Travail pratique obligatoire 2 : antiseptiques et antibiotiques. Répartissez uniformément les bactéries sur la gélose pour former un « tapis ». Placez sur la gélose des disques de papier imbibés de différents antibiotiques ou antiseptiques, ainsi qu’un disque imbibé d’eau stérile comme témoin. Après incubation, une zone claire se forme autour d’un disque là où les bactéries ont été tuées ou empêchées de croître. Une zone d’inhibition plus grande indique une substance plus efficace contre cette bactérie. Le témoin montre que le disque de papier seul n’empêche pas la croissance.

Exemple corrigé 5. Dans un test, une petite zone claire entoure l’antibiotique C. Un élève affirme que les bactéries sont résistantes à l’antibiotique C. Expliquez pourquoi l’élève a tort. Une zone claire, même petite, montre que l’antibiotique C a tué certaines bactéries ou arrêté leur croissance. Si les bactéries étaient résistantes, elles se développeraient jusqu’au bord du disque.

Exemple corrigé 6. Une zone claire a un diamètre de 12 mm. Calculez son aire. Le rayon est de $12 \div 2 = 6$ mm, donc l’aire est de $\pi r^2 = \pi \times 6^2 = 113$ mm² (3 chiffres significatifs). Utiliser 12 mm comme rayon donnerait une aire quatre fois trop grande.

Le noyau contient des chromosomes, de longues molécules d’ADN. Chaque chromosome porte de nombreux gènes. Dans les cellules du corps, les chromosomes sont présents par paires : les cellules du corps humain comptent 23 paires, soit 46 chromosomes au total.

Le cycle cellulaire. Le cycle cellulaire comporte trois étapes :

1. La cellule grandit, fabrique davantage de ribosomes et de mitochondries et copie son ADN, de sorte que chaque chromosome forme deux copies identiques.
2. Mitose : un lot de chromosomes est tiré vers chaque extrémité de la cellule et le noyau se divise.
3. Le cytoplasme et la membrane cellulaire se divisent, formant deux cellules filles génétiquement identiques.

La mitose sert à la croissance et au développement, à la réparation des lésions et à la reproduction asexuée.

Exemple corrigé 7. Un médicament empêche les fibres d’une cellule de se fixer aux chromosomes. Expliquez comment cela empêche la cellule de se diviser. Sans les fibres, les chromosomes ne peuvent pas être tirés vers chaque extrémité de la cellule, de sorte que le noyau ne peut pas se diviser en deux. Un tel médicament peut ralentir la croissance d’une tumeur, où les cellules se divisent de façon incontrôlée. Mais il ralentit aussi la division des cellules normales, ce qui explique pourquoi certains traitements contre le cancer provoquent une chute des cheveux.

Une cellule souche est indifférenciée : elle peut se diviser pour produire d’autres cellules souches et se différencier en d’autres types de cellules.

Utilisations. Les cellules souches embryonnaires pourraient un jour remplacer des cellules défectueuses, par exemple les cellules produisant de l’insuline dans le diabète ou les cellules nerveuses en cas de paralysie. Dans le clonage thérapeutique, on crée un embryon possédant les mêmes gènes que le patient, de sorte que ses cellules souches ne soient pas rejetées par le système immunitaire du patient. Les cellules de méristème servent à cloner des plantes rapidement et à moindre coût, pour préserver des espèces rares de l’extinction ou pour produire de nombreuses plantes cultivées identiques présentant des caractéristiques utiles telles que la résistance aux maladies.

Risques et objections. Les cellules souches cultivées en laboratoire pourraient être porteuses de virus transmissibles au patient. Certaines personnes ont des objections éthiques à l’utilisation d’embryons : un embryon est détruit lorsque ses cellules souches sont prélevées, et certains estiment qu’un embryon a droit à la vie. Pour une réponse complète, donnez la raison, et pas seulement « religion ».

La diffusion est le déplacement net de particules d’une zone de forte concentration vers une zone de plus faible concentration. Les particules se déplacent dans toutes les directions, mais elles sont plus nombreuses à suivre le gradient de concentration qu’à le remonter. L’oxygène et le dioxyde de carbone lors des échanges gazeux, ainsi que l’urée qui passe des cellules au plasma sanguin pour être transportée vers les reins, en sont des exemples. La diffusion est plus rapide lorsque le gradient de concentration est plus marqué, que la température est plus élevée et que la surface de la membrane est plus grande.

L’osmose est la diffusion de l’eau d’une solution diluée vers une solution plus concentrée à travers une membrane partiellement perméable, qui laisse passer les petites molécules d’eau mais pas les molécules de soluté plus grosses, comme celles du sucre.

Le transport actif déplace des substances d’une solution plus diluée vers une solution plus concentrée, contre le gradient de concentration. Il nécessite l’énergie fournie par la respiration. Les cellules des poils absorbants l’utilisent pour absorber chaque ion minéral de l’eau très diluée du sol, et l’intestin l’utilise pour absorber le sucre dans le sang lorsque sa concentration dans l’intestin est faible.

Travail pratique obligatoire 3 : osmose dans la pomme de terre. Découpez des cylindres de pomme de terre de taille égale dans une même pomme de terre. Épongez-les, pesez chacun d’eux et placez-les dans des solutions de sucre ou de sel de différentes concentrations, avec le même volume de solution, pendant la même durée et à la même température. Épongez-les et pesez-les à nouveau. Comme les morceaux ont au départ des masses légèrement différentes, comparez-les à l’aide de la variation en pourcentage :

Exemple corrigé 8. Un morceau de pomme de terre passe de 2.5 g à 2.9 g : variation en pourcentage $= \frac{0.4}{2.5} \times 100 = +16\%$. Un autre passe de 3.0 g à 2.55 g : $\frac{-0.45}{3.0} \times 100 = -15\%$. Conservez le signe moins pour une perte.

Dans l’eau distillée, la pomme de terre gagne de la masse, car la solution à l’intérieur de ses cellules est plus concentrée et l’eau y entre par osmose. Dans une solution concentrée, elle perd de la masse, car l’eau en sort. Là où la courbe croise zéro, il n’y a pas de mouvement net d’eau : la solution extérieure a la même concentration que le suc vacuolaire. Les molécules d’eau continuent de se déplacer dans les deux sens, mais en quantités égales.

Exemple corrigé 9. À l’aide du graphique, expliquez pourquoi la masse de la pomme de terre diminue dans une solution à 0.6 mol/dm³, et pourquoi elle diminue davantage dans une solution à 1.0 mol/dm³. À 0.6 mol/dm³, la solution extérieure est plus concentrée que le suc vacuolaire, donc l’eau sort des cellules par osmose. À 1.0 mol/dm³, le gradient de concentration est plus marqué, donc davantage d’eau sort pendant la même durée.

Un petit organisme unicellulaire peut obtenir tout l’oxygène dont il a besoin par diffusion à travers sa surface. Un grand organisme ne le peut pas, car il possède beaucoup moins de surface par unité de volume et ses cellules internes sont éloignées de la surface. Cela est indiqué par le rapport surface/volume.

Exemple corrigé 10. Un cube de 2 mm de côté a une surface de $6 \times 2^2 = 24$ mm² et un volume de $2^3 = 8$ mm³, soit un rapport de $24 : 8 = 3 : 1$. Un cube de 4 mm de côté a une surface de 96 mm² et un volume de 64 mm³, soit un rapport de $1.5 : 1$. Doubler le côté multiplie la surface par 4 mais le volume par 8, donc le rapport est divisé par deux. Le plus grand cube a une surface totale plus grande, mais moins de surface pour chaque mm³ à l’intérieur.

Un organisme pluricellulaire a donc besoin de surfaces d’échange et d’un système de transport, contrairement à un organisme unicellulaire. De bonnes surfaces d’échange possèdent :

• une grande surface, pour permettre à davantage de substance de traverser en même temps ;
• une membrane fine, pour réduire la distance de diffusion ;
• (chez les animaux) une bonne irrigation sanguine, qui évacue les substances et maintient un gradient marqué ;
• (pour les échanges gazeux) une ventilation, qui apporte de l’air ou de l’eau renouvelés.

Les alvéoles pulmonaires entourées de capillaires, les villosités de l’intestin grêle, les branchies des poissons ainsi que les racines et les feuilles des plantes en sont des exemples.

• AQA, Programme de GCSE Biologie (8461), section 4.1 Biologie cellulaire, et le manuel des travaux pratiques obligatoires.
• R. Hooke, Micrographia (Londres, 1665), observation XVIII, sur le liège.
• A. van Leeuwenhoek, lettre à la Royal Society du 9 octobre 1676, Philosophical Transactions 12 (1677).
• AQA, épreuve 1 de GCSE Biologie, niveau supérieur (juin 2023, 2024 et 2025), questions sur les antibiotiques, la division cellulaire et l’osmose, adaptées.

• Affirmer que toutes les cellules végétales possèdent des chloroplastes ; les cellules des racines n’en ont pas.
• Affirmer que les bactéries n’ont pas de ribosomes ou pas de paroi cellulaire ; elles possèdent les deux.
• Diviser la taille de l’image par la taille réelle sans les convertir d’abord dans la même unité, ou donner une unité au grossissement.
• Appeler le disque d’eau du RP2 une « variable de contrôle » ; c’est un témoin.
• Utiliser le diamètre au lieu du rayon dans $\pi r^2$.
• Affirmer que « les molécules d’eau cessent de bouger » lorsqu’il n’y a pas d’osmose nette.
• Écrire que le transport actif déplace les substances dans le sens du gradient de concentration.
• Affirmer qu’un cube plus grand a un rapport surface/volume plus élevé.

• Cellule eucaryote : cellule dont l’ADN se trouve dans un noyau.
• Cellule procaryote : cellule bactérienne dépourvue de noyau.
• Différenciation : processus par lequel une cellule se spécialise.
• Grossissement : nombre de fois que l’image est plus grande que l’objet réel.
• Technique aseptique : méthodes qui empêchent les micro-organismes indésirables de contaminer une culture.
• Mitose : division du noyau qui produit deux noyaux identiques.
• Cellule souche : cellule indifférenciée qui peut produire d’autres cellules souches et d’autres types de cellules.
• Diffusion : déplacement net de particules d’une concentration élevée vers une concentration plus faible.
• Osmose : diffusion de l’eau à travers une membrane partiellement perméable, d’une solution diluée vers une solution concentrée.
• Transport actif : déplacement contre un gradient de concentration, utilisant l’énergie issue de la respiration.

1. Nommez trois structures présentes dans les cellules végétales mais absentes des cellules animales.
2. Une image mesure 30 mm de long et le grossissement est de ×500. Calculez la longueur réelle en µm.
3. Donnez la raison de chacune de ces étapes : passer l’anse d’ensemencement à la flamme ; conserver la boîte de Petri à l’envers.
4. Une bactérie se divise toutes les 30 minutes. Combien y a-t-il de bactéries après 4 heures ?
5. Décrivez les trois étapes du cycle cellulaire.
6. Donnez un avantage et une objection à l’utilisation de cellules souches embryonnaires.
7. Un morceau de pomme de terre passe de 4.0 g à 3.4 g. Calculez la variation de masse en pourcentage et expliquez cette variation.

Réponses : 1. Paroi cellulaire, vacuole permanente, chloroplastes. 2. $30\ \text{mm} = 30\,000\ \mu\text{m}$ ; $30\,000 \div 500 = 60\ \mu\text{m}$. 3. Le passage à la flamme tue les micro-organismes présents sur l’anse, afin qu’ils ne contaminent pas la culture ; la conservation à l’envers empêche la condensation de goutter sur la gélose. 4. 8 divisions, donc $2^8 = 256$. 5. La cellule grandit, fabrique davantage d’organites et copie son ADN ; lors de la mitose, un lot de chromosomes est tiré vers chaque extrémité et le noyau se divise ; le cytoplasme et la membrane se divisent pour former deux cellules identiques. 6. Avantage : elles peuvent devenir presque tous les types de cellules et pourraient donc traiter des maladies telles que le diabète ; objection : l’embryon est détruit. 7. $\frac{-0.6}{4.0} \times 100 = -15\%$ ; la solution était plus concentrée que le suc vacuolaire, donc l’eau est sortie des cellules par osmose.