Une structure complexe : la cellule vivante

Le microscope, dit optique ou photonique, est utilisé notamment en biologie pour observer des tissus ou des cellules.

C’est un instrument d’optique équipé d’une source de lumière artificielle. Son fonctionnement repose sur la propagation de photons (particules élémentaires de la lumière) à travers une préparation fine, l’objectif puis l’oculaire.
L’objectif et l’oculaire contiennent chacun une lentille, ce qui permet de grossir l’image d’un petit objet.
Le microscope permet de grossir un objet de 40 à 1000 fois.

 Photo et croquis d’un microscope optique utilisé aujourd’hui

Le tout premier microscope aurait été inventé en 1595 par un Hollandais : Zacharias Janssen.
Il lui permet de grossir des petits objets de 3 à 10 fois.

Cinquante ans plus tard, Antoine van Leeuwenhoek et Robert Hooke perfectionnent cet outil afin d’observer des choses non visibles à l’œil nu.

Antoine van Leeuwenhoek (1632–1723), néerlandais, n’est pas scientifique mais artisan. Drapier, il utilise des loupes qui grossissent de 6 à 15 fois pour examiner les fibres des textiles qu’il vend.
En 1668, il construit un microscope, équipé d’une seule lentille biconvexe de forte résolution.
Curieux de nature, il s’en sert pour observer non seulement les fibres des textiles, mais aussi des organismes vivants invisibles à l’œil nu et dont personne n’imaginait l’existence (êtres vivants microscopiques d’une mare ou spermatozoïdes d’animaux).
N’étant pas scientifique, il n’utilise pas le terme « cellule » pour nommer ce qu’il a observé.

Au même moment, le scientifique Robert Hooke (1635–1703) développe son propre microscope optique.
Il publie un ouvrage, en 1665, Micrographia, dans lequel il présente ses observations microscopiques (notamment des dessins de protozoaires, micro-organismes unicellulaires) qui contribuent à la découverte du monde invisible.
Il présente également des coupes réalisées dans du liège qui montrent des petites cavités. Il nomme ces dernières « cellules ». C’est le premier à utiliser ce terme en 1667.

L’élaboration d’une théorie peut prendre plusieurs siècles. Sa construction passe par des propositions, des observations, des expérimentations et des remises en question.
Les progrès de la science y participent largement.

L’observation et la description des premières cellules au XVII^e siècle ne suffisent pas à élaborer la théorie cellulaire.
Ce n’est qu’au XIX^e siècle que des scientifiques contribuent à sa construction.

Une cellule eucaryote est une cellule qui possède un noyau.

Le microscope optique permet l’observation de la structure générale d’une cellule eucaryote, c’est-à-dire la membrane plasmique, le noyau, le cytoplasme.

Cellules sanguines, dont un lymphocyte au centre,
observées au microscope optique (× 400)

La taille des cellules est variable : de l’ordre de 20 micromètres pour les cellules animales, 100 micromètres pour les cellules végétales.

La résolution maximale du microscope optique étant de 0,2 micromètre, il est impossible d’observer des objets plus petits. Le microscope optique ne permet donc pas l’observation du contenu des cellules (organites) ni des molécules qui la composent.

C’est en 1931 que deux physiciens allemands présentent pour la première fois un microscope électronique.

Il fonctionne sur le même principe que le microscope optique mais au lieu d’émettre des photons, il utilise un faisceau d’électrons concentré par des lentilles électromagnétiques. Il peut grossir un objet jusqu’à un million de fois.

Le microscope électronique permet alors l’observation du contenu des cellules : on découvre l’ultrastructure cellulaire, c’est-à-dire la structure d’une cellule visible uniquement au microscope électronique.

L’invention du microscope électronique permet d’atteindre l’observation de l’échelle moléculaire.

Il existe aujourd’hui deux types de microscope électronique :

• le MET (microscope électronique à transmission) : il permet de préciser la structure interne de certains organites et d’observer certaines macromolécules. Sa résolution maximale est de 0,1 nm.
• le MEB (microscope électronique à balayage) qui permet d’observer les reliefs de l’objet observé. Sa résolution maximale est moins importante : 1 nm.

Lymphocyte observé au microscope électronique à transmission
(× 15 000 – coloration fausses couleurs)

L’ultrastructure du lymphocyte est visible. On repère les mitochondries et le noyau qui contient des molécules d’ADN sous forme de chromatine.

Cellules sanguines observées au microscope électronique à balayage (× 10 000)

Dès les premières observations de cellules au microscope optique, on constate qu’il existe une séparation entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire : la membrane plasmique.

On cherche alors à connaitre l’organisation (structure et composition) de cette membrane plasmique. Au XX^e siècle, grâce à la biochimie et à la microscopie électronique, de nombreuses découvertes améliorent la connaissance de cette organisation.
Quelques-unes sont présentées dans le tableau ci-dessous :

Observation au MET de la membrane plasmique d’une euglène,
organisme unicellulaire présent dans l’eau riche en nutriments
(× 250 000 – coloration fausses couleurs)

L’organisation moléculaire de la membrane plasmique a pu être établie grâce à la biochimie et à la microscopie électronique.
La membrane plasmique est composée de diverses molécules : les lipides et les protéines essentiellement.

Ce sont principalement des phospholipides et du cholestérol pour les cellules animales.

Schéma d’une molécule de phospholipide

Les phospholipides sont des molécules amphiphiles : elles portent un groupe hydrophile (la tête formée de phosphate et de glycérol) et un groupe hydrophobe (les queues formée d’acides gras).

La propriété amphiphile des phospholipides est responsable de l’organisation de la membrane plasmique.
En effet, si on extrait des phospholipides membranaires et qu’on les place dans l’eau pour observer leur comportement, ils s’agglomèrent spontanément en cachant leurs parties hydrophobes : cette structure formée se nomme un liposome.

Schéma d’un liposome

Le liposome est donc délimité par une membrane, comme l’est la cellule.

Dans un organisme vivant, le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire étant aqueux, les phospholipides s’organisent en une double couche qui forme la membrane plasmique des cellules.

Schéma simplifié présentant l’organisation des phospholipides en bicouche
dans la membrane plasmique

Il existe deux types de protéines membranaires :

• les protéines intra-membranaires (2 parties hydrophiles et une partie hydrophobe enchâssée dans la bicouche de phospholipides) ;
• les protéines extra-cellulaires (en contact avec le milieu extérieur).

Les protéines membranaires ont des rôles variés : transport de substances, récepteurs de molécules chimiques, adhérence…

Schéma présentant des protéines membranaires

La membrane plasmique permet des échanges avec le milieu extracellulaire, tout en conservant la stabilité du milieu intracellulaire.
Grâce à des mécanismes de diffusion passive ou de transport actif, elle permet le passage de certaines molécules et ions.
Elle joue aussi un rôle dans la reconnaissance de signaux (par exemple, les hormones provenant du milieu extracellulaire).

La membrane plasmique est indispensable à la survie d’une cellule.
C’est une structure en mosaïque : elle est faite d’une double couche lipidique, de protéines intra ou extra-membranaires ainsi que de quelques sucres liés aux protéines ou aux lipides.

Son organisation n’est pas figée : les phospholipides sont les plus mobiles.
On dit que la membrane plasmique est dynamique : c’est une mosaïque fluide.
Cette caractéristique lui permet de se déformer lors de la division cellulaire, d’absorber des éléments (macrophage qui absorbe une bactérie), de sécréter des molécules…

Représentation schématique de l’organisation de la membrane plasmique