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5.2 : Découverte des cellules et théorie cellulaire - Biologie

5.2 : Découverte des cellules et théorie cellulaire - Biologie


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Une grosse cellule bleue

Quel est cet objet incroyable ? Cela vous surprendrait-il d'apprendre qu'il s'agit d'une cellule humaine ? La cellule est en fait trop petite pour être vue à l'œil nu. Il est visible ici avec tant de détails parce qu'il est observé avec un microscope très puissant. Les cellules peuvent être de petite taille, mais elles sont extrêmement importantes pour la vie. Comme tous les autres êtres vivants, vous êtes constitué de cellules. Les cellules sont la base de la vie, et sans les cellules, la vie telle que nous la connaissons n'existerait pas. Vous en apprendrez plus sur ces incroyables éléments constitutifs de la vie en lisant cette section.

Si vous regardez une matière vivante avec un microscope - même un simple microscope optique - vous verrez qu'elle est constituée de cellules. Cellules sont les unités de base de la structure et de la fonction des êtres vivants. Ce sont les plus petites unités capables de mener à bien les processus de la vie. Tous les organismes sont constitués d'une ou plusieurs cellules, et toutes les cellules ont plusieurs des mêmes structures et effectuent les mêmes processus vitaux de base. Connaître la structure des cellules et les processus qu'elles effectuent est nécessaire pour comprendre la vie elle-même.

Découverte de cellules

La première fois le mot cellule a été utilisé pour désigner ces minuscules unités de vie était en 1665 par un scientifique britannique nommé Robert Hooke. Hooke a été l'un des premiers scientifiques à étudier les êtres vivants au microscope. Les microscopes de son époque n'étaient pas très puissants, mais Hooke a tout de même pu faire une découverte importante. Quand il a regardé une fine tranche de liège sous son microscope, il a été surpris de voir ce qui ressemblait à un nid d'abeille. Hooke a fait le dessin de la figure ci-dessous pour montrer ce qu'il a vu. Comme vous pouvez le voir, le liège était composé de nombreuses unités minuscules, que Hooke appelait des cellules.

Peu de temps après que Robert Hooke ait découvert des cellules dans le liège, Anton van Leeuwenhoek en Hollande a fait d'autres découvertes importantes à l'aide d'un microscope. Leeuwenhoek fabriquait ses propres lentilles de microscope, et il était si bon dans ce domaine que son microscope était plus puissant que les autres microscopes de son époque. En fait, le microscope de Leeuwenhoek était presque aussi puissant que les microscopes optiques modernes. À l'aide de son microscope, Leeuwenhoek a été la première personne à observer des cellules humaines et des bactéries.

Théorie cellulaire

Au début des années 1800, les scientifiques avaient observé les cellules de nombreux organismes différents. Ces observations ont conduit deux scientifiques allemands, Theodor Schwann et Matthias Jakob Schleiden, à proposer que les cellules sont les éléments de base de tous les êtres vivants. Vers 1850, un médecin allemand du nom de Rudolf Virchow étudiait des cellules au microscope lorsqu'il les vit se diviser et former de nouvelles cellules. Il s'est rendu compte que les cellules vivantes produisent de nouvelles cellules par division. Sur la base de cette réalisation, Virchow a proposé que les cellules vivantes proviennent uniquement d'autres cellules vivantes.

Les idées des trois scientifiques - Schwann, Schleiden et Virchow - ont conduit à théorie cellulaire, qui est l'une des théories fondamentales unifiant toute la biologie. La théorie cellulaire stipule que :

  • Tous les organismes sont constitués d'une ou plusieurs cellules.
  • Toutes les fonctions vitales des organismes se produisent dans les cellules.
  • Toutes les cellules proviennent de cellules déjà existantes.

Voir à l'intérieur des cellules

À partir de Robert Hooke dans les années 1600, le microscope a ouvert un nouveau monde étonnant - le monde de la vie au niveau de la cellule. Alors que les microscopes continuaient de s'améliorer, de nouvelles découvertes ont été faites sur les cellules des êtres vivants. Cependant, à la fin des années 1800, les microscopes optiques avaient atteint leurs limites. Les objets beaucoup plus petits que les cellules, y compris les structures à l'intérieur des cellules, étaient trop petits pour être vus même avec le microscope optique le plus puissant.

Puis, dans les années 1950, un nouveau type de microscope a été inventé. Appelé microscope électronique, il utilisait un faisceau d'électrons au lieu de lumière pour observer des objets extrêmement petits. Avec un microscope électronique, les scientifiques ont enfin pu voir les minuscules structures à l'intérieur des cellules. En fait, ils pouvaient même voir des molécules et des atomes individuels. Le microscope électronique a eu un impact énorme sur la biologie. Elle a permis aux scientifiques d'étudier les organismes au niveau de leurs molécules et a conduit à l'émergence du domaine de la biologie cellulaire. Avec le microscope électronique, de nombreuses autres découvertes cellulaires ont été faites. La figure (PageIndex{3}) montre comment les structures cellulaires appelées organites apparaissent lorsqu'ils sont scannés par un microscope électronique.

Bien que les cellules soient diverses, toutes les cellules ont certaines parties en commun. Ces parties comprennent une membrane plasmique, un cytoplasme, des ribosomes et de l'ADN.

  1. Les membrane plasma (également appelée membrane cellulaire) est une fine couche de phospholipides qui entoure une cellule. Il forme la frontière physique entre la cellule et son environnement, vous pouvez donc le considérer comme la «peau» de la cellule.
  2. Cytoplasme fait référence à tout le matériel cellulaire à l'intérieur de la membrane plasmique. Le cytoplasme est constitué d'une substance aqueuse appelée cytosol et contient d'autres structures cellulaires telles que les ribosomes.
  3. Ribosomes sont des structures dans le cytoplasme où les protéines sont fabriquées.
  4. ADN est un acide nucléique présent dans les cellules. Il contient les instructions génétiques dont les cellules ont besoin pour fabriquer des protéines.

Ces parties sont communes à toutes les cellules, provenant d'organismes aussi différents que les bactéries et les êtres humains. Comment tous les organismes connus en sont-ils arrivés à avoir des cellules aussi similaires ? Les similitudes montrent que toute vie sur Terre a une histoire évolutive commune.

Revoir

  1. Décrivez les cellules.
  2. Expliquez comment les cellules ont été découvertes.
  3. Décrivez comment la théorie cellulaire s'est développée.
  4. Identifiez les structures partagées par toutes les cellules.
  5. Vrai ou faux. Le liège n'est pas un organisme vivant.
  6. Vrai ou faux. Certains organismes sont constitués d'une seule cellule.
  7. Vrai ou faux. Les ribosomes se trouvent à l'extérieur du cytoplasme d'une cellule.
  8. Les protéines sont fabriquées le _____________ .
  9. Quelles sont les différences entre un microscope optique et un microscope électronique ?
  10. Les premiers microscopes ont été fabriqués vers
    1. 1965
    2. 1665
    3. 1950
    4. 1776
  11. Lequel de ces scientifiques a fait chacune des découvertes suivantes ? (Anton van Leeuwenhoek; Robert Hooke; Rudolf Virchow)
    1. Observé certaines des premières cellules et utilisé pour la première fois le terme « cellule »
    2. Observé les premières cellules humaines
    3. Cellules observées se divisant
  12. Robert Hooke a esquissé ce qui ressemblait à des nids d'abeilles, ou à des unités circulaires ou carrées répétées lorsqu'il a observé des cellules végétales au microscope.
    1. Quelle est chaque unité ?
    2. Parmi les parties communes de toutes les cellules, qu'est-ce qui constitue la surface extérieure de chaque unité ?
    3. Parmi les parties communes de toutes les cellules, qu'est-ce qui compose l'intérieur de chaque unité ?

Explore plus

Pour en savoir plus sur la théorie cellulaire et son histoire, regardez la vidéo ci-dessous.


Le scientifique italien Galileo Galilei est crédité de la construction du premier microscope en 1625. C'était une étape logique pour lui de prendre de son travail révolutionnaire avec les télescopes et l'astronomie en 1609. En 1665, Robert Hooke, un scientifique britannique, a regardé une tranche mince de liège au microscope et a vu une structure en nid d'abeilles composée de petits compartiments qu'il a appelés cellules. La première personne à voir des cellules vivantes au microscope était Anton van Leeuwenhoek. En 1670, Leeuwenhoek a considérablement amélioré la qualité des lentilles de microscope au point qu'il pouvait voir les organismes unicellulaires qui vivaient dans une goutte d'eau d'un étang. Il a appelé ces organismes « animalcules », ce qui signifie « animaux miniatures ».

Les microscopes et la science en général ont progressé tout au long des années 1700, conduisant à plusieurs découvertes marquantes par les scientifiques au début des années 1800. En 1804, Karl Rudolphi et J.H.F. Link a été le premier à prouver que les cellules étaient indépendantes les unes des autres et avaient leurs propres parois cellulaires. Avant ces travaux, on pensait que les cellules partageaient leurs parois et que c'était ainsi que les fluides étaient transportés entre elles. La prochaine découverte importante a eu lieu en 1833 lorsque le botaniste britannique Robert Brown a découvert pour la première fois le noyau dans les cellules végétales.

À partir des années 1838-1839, le scientifique allemand Matthias Schleiden a proposé la première croyance fondamentale sur les cellules, selon laquelle tous les tissus végétaux sont composés de cellules. Son collègue scientifique et compatriote Theodor Schwann a conclu que tous les tissus animaux étaient également constitués de cellules. Schwann a mélangé les deux déclarations en une théorie selon laquelle 1) Tous les organismes vivants sont constitués d'une ou plusieurs cellules et 2) La cellule est l'unité de base de la structure de tous les organismes vivants. En 1845, le scientifique Carl Heinrich Braun a révisé la théorie cellulaire avec son interprétation selon laquelle les cellules sont l'unité de base de la vie.

La troisième partie de la théorie cellulaire originale a été avancée en 1855 par Rudolf Virchow qui a conclu que Omnis cellula et cellula ce qui se traduit approximativement du latin par "les cellules ne proviennent que d'autres cellules".


L'image ci-dessus montre un dessin du microscope utilisé par Robert Hooke en 1665 dans lequel il a vu pour la première fois des cellules dans une fine tranche de liège. L'encart circulaire montre le dessin que Hooke a fait de la structure en nid d'abeille qu'il a vue au microscope.

Le développement des principes taxonomiques

En 1687, le mathématicien, physicien et astronome anglais Isaac Newton publia son grand ouvrage Principia, dans lequel il a décrit l'univers comme fixe, avec la Terre et d'autres corps célestes se déplaçant harmonieusement conformément aux lois mathématiques. Cette approche de systématisation et de classification allait dominer la biologie aux XVIIe et XVIIIe siècles. L'une des raisons était que les « pères de la botanique » du XVIe siècle s'étaient contentés de décrire et de dessiner des plantes, rassemblant un nombre énorme et diversifié qui continuait d'augmenter à mesure que les explorations de pays étrangers montraient que chaque pays avait ses propres plantes et plantes indigènes. animaux.

Aristote a commencé le processus de classification lorsqu'il a utilisé le mode de reproduction et l'habitat pour distinguer des groupes d'animaux. En effet, les mots genre et espèce sont des traductions du grec génos et eidos utilisé par Aristote. Le botaniste suisse Bauhin avait introduit un système de classification binomial, utilisant un nom générique et un nom spécifique. Cependant, la plupart des schémas de classification proposés avant le XVIIe siècle étaient confus et insatisfaisants.


Théorie cellulaire

Les scientifiques pensaient autrefois que la vie surgissait spontanément d'êtres non vivants. Grâce à l'expérimentation et à l'invention du microscope, on sait maintenant que la vie vient de la vie préexistante et que les cellules proviennent de cellules préexistantes.

Couverture de micrographie

Le scientifique anglais Robert Hooke a publié Micrographie en 1665. Il y illustrait les plus petites parties complètes d'un organisme, qu'il appelait cellules.

Photographie de Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images

En 1665, Robert Hooke publie Micrographie, un livre rempli de dessins et de descriptions des organismes qu'il a vus sous le microscope récemment inventé. L'invention du microscope a conduit à la découverte de la cellule par Hooke. Tout en regardant le liège, Hooke a observé des structures en forme de boîte, qu'il a appelées « ldquocells » car elles lui rappelaient les cellules, ou pièces, des monastères. Cette découverte a conduit au développement de la théorie cellulaire classique.

La théorie cellulaire classique a été proposée par Theodor Schwann en 1839. Cette théorie comporte trois parties. La première partie indique que tous les organismes sont constitués de cellules. La deuxième partie affirme que les cellules sont les unités de base de la vie. Ces parties étaient basées sur une conclusion faite par Schwann et Matthias Schleiden en 1838, après avoir comparé leurs observations de cellules végétales et animales. La troisième partie, qui affirme que les cellules proviennent de cellules préexistantes qui se sont multipliées, a été décrite par Rudolf Virchow en 1858, lorsqu'il a déclaré omnis cellula e cellula (toutes les cellules proviennent de cellules).

Depuis la formation de la théorie cellulaire classique, la technologie s'est améliorée, permettant des observations plus détaillées qui ont conduit à de nouvelles découvertes sur les cellules. Ces découvertes ont conduit à la formation de la théorie cellulaire moderne, qui a trois ajouts principaux : premièrement, que l'ADN est transmis entre les cellules pendant la division cellulaire, deuxièmement, que les cellules de tous les organismes au sein d'une espèce similaire sont pour la plupart les mêmes, à la fois structurellement et chimiquement. et enfin, ce flux d'énergie se produit à l'intérieur des cellules.

Le scientifique anglais Robert Hooke a publié Micrographie en 1665. Il y illustrait les plus petites parties complètes d'un organisme, qu'il appelait cellules.

Photographie de Universal History Archive/Universal Images Group via Getty Images


Procaryotes et eucaryotes : les arguments en faveur d'une ascendance partagée

Bien que toute vie soit constituée de cellules, toutes les cellules n'ont pas la même structure. Dans l'organisation des êtres vivants, les organismes appartiennent à l'un des deux groupes suivants : les procaryotes et les eucaryotes. Les procaryotes (archées et bactéries) et les eucaryotes (champignons, plantes, animaux et protistes) ont de nombreux facteurs de définition qui sont différents les uns des autres, mais leurs similitudes sont très important et forment la base sur laquelle une théorie de l'ascendance partagée est construite.

Tous les procaryotes et les eucaryotes sont constitués de cytosol contenant des ribosomes en suspension, le matériel génétique de l'ADN et de l'ARN, et sont enfermés dans une membrane. Ces éléments communs sont chimiquement et structurellement presque indiscernables. La membrane plasmique est constituée d'une bicouche phospholipidique, qui est un film gras qui entoure la cellule (voir notre module Membranes I : Introduction aux membranes biologiques pour en savoir plus). Cette membrane contient plusieurs structures qui permettent à la cellule d'effectuer les tâches nécessaires, notamment des pompes et des canaux qui permettent aux substances d'entrer et de sortir de la cellule, et des récepteurs qui permettent à la cellule de détecter ce qui se trouve dans son environnement et d'être reconnue par d'autres cellules ( voir notre module Membranes II : Transporteurs passifs et actifs). Cette membrane plasmique forme une barrière semi-perméable qui empêche le cytosol de la cellule de s'échapper et le milieu environnant de s'infiltrer.

Le cytosol est un fluide semblable à un gel composé d'eau remplie de nutriments dissous, de déchets, d'ions, de protéines, d'enzymes et de nombreuses autres molécules. De nombreuses réactions chimiques ont lieu dans le cytosol et il contient des particules et des filaments qui donnent forme aux cellules. Les ribosomes sont suspendus dans le cytosol, de grandes machines moléculaires chargées de traduire les informations contenues dans l'ARN en protéines. Le nombre de ribosomes dans une cellule dépend en grande partie de la fonction de la cellule. (Voir les figures 5 et 6 pour des illustrations des structures cellulaires.)

Figure 5 : Un schéma d'une cellule animale typique. Figure 6 : Un schéma d'une cellule végétale typique.

Les eucaryotes et les procaryotes ont également du matériel génétique (ADN et ARN), qui contient les instructions pour la production de protéines (voir notre série de modules ADN). Cependant, la distinction probablement la plus importante entre les deux taxons de cellules est que le matériel génétique des eucaryotes est enfermé dans une double membrane, créant un noyau. Les procaryotes n'ont pas un tel noyau lié à la membrane, leur matériel génétique existe dans un nucléoïde - une région de forme irrégulière à l'intérieur du cytosol.

Bien qu'une bactérie semble très différente d'une moisissure et qu'un arbre semble très différent d'un humain, à l'intérieur des cellules de tous ces organismes, beaucoup de choses sont très similaires. Cela soutient que tous les êtres vivants sur Terre sont liés et descendent d'un ancêtre commun. C'est ce qu'on appelle le Théorie de la descendance commune universelle. Considérer ce qui suit:

Image 7 : Une comparaison de l'acide ribonucléique (ARN) et de l'acide désoxyribonucléique (ADN).

  1. Tous les êtres vivants utilisent l'ADN pour leur matériel génétique. Hypothétiquement parlant, il existe des dizaines de molécules qui pourraient fonctionner comme un référentiel d'informations génétiques. En fait, les protéines et les sucres auraient pu être de "meilleurs" choix que l'ADN, car ils auraient permis de stocker beaucoup plus d'informations dans la même molécule de taille. Cependant, chaque cellule vivante stocke ses informations génétiques sous forme de chromosomes constitués d'ADN. De plus, tous les êtres vivants utilisent les mêmes quatre nucléotides comme éléments constitutifs de l'ADN. Les nucléotides pourraient être construits d'un nombre presque infini de manières, mais seulement quatre sont utilisées par la vie sur Terre (Figure 6).

  2. Le code génétique est universel. Non seulement tous les êtres vivants stockent leur information génétique à l'aide de la même molécule, mais le code de lecture de l'information est également identique. Par exemple, dans une séquence d'ADN donnée, Cytosine-Thymine-Cytosine (CTC) code pour l'acide aminé leucine. Cela est vrai dans chaque cellule vivante, des bactéries aux humains. Il n'y a aucune raison pour que cela soit vrai. Le code génétique est comme le code Morse : il est purement arbitraire. N'importe quel nombre et combinaison de nucléotides d'ADN pourrait servir de code pour n'importe quel acide aminé donné. Et pourtant, toute vie utilise exactement le même code. (Il y a quelques exceptions, mais celles-ci sont très rares.) Cette caractéristique commune de la vie est ce qui nous permet d'insérer des gènes d'une espèce dans une autre et de faire en sorte que ces gènes fonctionnent toujours correctement. Par exemple, il serait extrêmement coûteux de récolter l'insuline de donneurs humains afin de traiter les patients diabétiques. Au lieu de cela, les scientifiques ont conçu des bactéries qui contiennent le gène de l'insuline humaine. Le gène est lu et interprété de la même manière dans les deux cellules, de sorte que les bactéries construisent une molécule d'insuline humaine parfaitement fonctionnelle.

  3. Toutes les cellules convertissent l'énergie chimique de la même manière. L'énergie qui atteint la planète depuis le soleil pourrait être récoltée d'un nombre presque infini de façons. Cependant, le processus et les enzymes de la photosynthèse sont étonnamment similaires parmi toutes les cellules photosynthétiques, des cyanobactéries et du plancton aux chênes et aux nénuphars. De même, toutes les cellules consomment des macromolécules et convertissent leur énergie de manière étonnamment similaire. Les enzymes de la glycolyse, le processus de dégradation du glucose, sont partagées par toutes les cellules vivantes. De plus, toutes les cellules fabriquent et utilisent des molécules d'ATP comme « monnaie » générale pour transférer de l'énergie dans ses nombreuses réactions chimiques. Il existe littéralement des milliers de molécules qui pourraient être utilisées à cette fin, dont beaucoup fonctionneraient plus efficacement que l'ATP. Les réactions chimiques de conversion d'énergie sont remarquablement similaires dans toutes les cellules de la Terre.

  4. Tous les ribosomes sont structurellement et fonctionnellement similaires. Des structures appelées ribosomes sont chargées d'interpréter le code génétique de l'ADN, reçu sous forme d'ARNm, et de construire des protéines selon ce code. Les ribosomes de tous les procaryotes sont presque exactement les mêmes, de même que les ribosomes de tous les eucaryotes. Entre les eucaryotes et les procaryotes, bien qu'il existe des différences, la structure globale est remarquablement similaire. Tous les ribosomes ont deux parties : une grande sous-unité et une petite sous-unité. Ils fonctionnent dans des mécanismes presque identiques.

  5. Toutes les membranes biologiques sont similaires. De la membrane plasmique des bactéries à l'enveloppe nucléaire des animaux, les membranes étanches qui établissent des compartiments séparés à l'intérieur et autour d'une cellule vivante sont extrêmement similaires. D'une part, ce n'est pas surprenant car les propriétés des phospholipides sont assez uniques. D'un autre côté, à partir de blocs de construction chimiques très basiques, comme ceux trouvés sur la Terre primitive, de nombreuses molécules formant des membranes pourraient avoir émergé. En fait, les scientifiques peuvent maintenant synthétiser des membranes bien meilleures, plus simples et plus stables. Le fait que toute la vie utilise la même structure de membrane de base est une preuve solide qu'une fois que les membranes ont évolué pour la première fois, elles ont été transmises aux descendants avec peu de changements en cours de route.

Ce ne sont là que quelques-uns des éléments de preuve de la théorie de la descendance commune universelle.

Les procaryotes ont été documentés dans les archives fossiles il y a 4,2 milliards d'années (voir Figure 8). Les eucaryotes, cependant, ne peuvent être documentés que depuis 2,7 milliards d'années, laissant 1,5 milliard d'années d'évolution entre les deux. Pour cette raison, les scientifiques pensent que les eucaryotes ont évolué à partir des procaryotes bien après que les caractéristiques centrales des cellules vivantes aient déjà émergé.

Figure 8: Une échelle de temps de l'évolution des procaryotes. D'après l'article de Battistuzzi, F.U., Feijao, A., et Hedges, S.B. 2004. Une échelle de temps génomique de l'évolution des procaryotes : aperçu de l'origine de la méthanogenèse, de la phototrophie et de la colonisation des terres. BMC Biologie évolutive, 4: 44. image © 2004 Battistuzzi et al.

La caractéristique déterminante des eucaryotes, le noyau, a d'abord évolué comme un repliement de la membrane plasmique, qui a formé un compartiment pour abriter et protéger l'ADN. Ce repliement a évolué dans l'enveloppe nucléaire - la double membrane du noyau (Figure 9). De plus, comme discuté dans notre module Cellular Organelles I: Membrane-bound Organelles, la théorie de l'endosymbiose suggère qu'une petite bactérie aérobie a pu pénétrer dans la membrane plasmique d'un procaryote anaérobie plus grand, probablement un archéon, et survivre en vivant en symbiose avec la cellule hôte. Au fil du temps, les petites bactéries aérobies ont évolué pour devenir l'organite que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de mitochondrie.

Figure 9 : La membrane cellulaire se replie et crée une enveloppe nucléaire.

La théorie de la descendance commune universelle soutient que


Qu'est-ce que Robert Brown a contribué à la théorie cellulaire ?

Robert Brown a contribué à la théorie cellulaire en montrant le mouvement radical des molécules à l'intérieur d'une cellule à la lumière d'un microscope. La méthode brownienne a été nommée d'après la découverte par Brown de la façon dont les molécules se déplaçaient.

En 1802, Franz Bauer a découvert et décrit pour la première fois le noyau d'une cellule. Il a utilisé un système microscopique avancé pour y parvenir. Bien que Brown n'ait pas été le premier à découvrir le noyau, il en est souvent crédité parce qu'il a été le premier scientifique à lui donner un nom tout en décrivant de manière appropriée ce que c'était et comment il fonctionnait dans la cellule.

Robert Brown était un botaniste qui a étudié tous les aspects de la vie végétale, de la façon dont les plantes poussent à la façon dont leurs cellules fonctionnent ensemble. Il a utilisé des microscopes d'une manière que personne ne les avait utilisés auparavant. Il a non seulement travaillé pour décrire correctement le noyau, mais il a également pu fournir une description des fonctions cytoplasmiques au sein des cellules. Dans des études indépendantes, il a pu découvrir la différence entre les angiospermes et les gymnospermes. On pensait auparavant que ces plantes étaient les mêmes. De nombreuses familles de plantes présentes dans les temps modernes ont été découvertes, classées et nommées par Brown.


Le développement de la théorie cellulaire

En 1824, le français Henri Milne-Edwards a suggéré que la structure de base de tous les tissus animaux était un ensemble de &# x0022globules,&# x0022 bien que son insistance sur la taille uniforme de ces globules remet en question l'exactitude de ses observations. Henri Dutrochet (1776&# x20131847) a rendu explicite le lien entre les cellules végétales et les cellules animales, et il a proposé que la cellule n'était pas seulement une unité structurelle mais aussi une unité physiologique : &# x0022Il est clair qu'elle constitue l'unité de base de l'état organisé en effet, tout est finalement dérivé de la cellule (Harris 1999, p. 29). Dutrochet a proposé que de nouvelles cellules découlent de l'intérieur des anciennes, un point de vue qui a été repris par son contemporain Fran&# xE7ois Raspail (1794&# x20131878). Raspail a été le premier à énoncer l'un des deux principes majeurs de la théorie cellulaire : Omnis cellula e cellula, ce qui signifie que Ȭhaque cellule est dérivée d'une autre cellule." Cependant, malgré cette phrase retentissante et célèbre, son mécanisme proposé de génération de cellules était incorrect. Raspail a également été le fondateur de la biochimie cellulaire, réalisant des expériences sur la composition chimique de la cellule et sa réponse aux environnements chimiques changeants.

En 1832, Barthélemy Dumortier (1797&# x20131878) de France a décrit &# x0022fission binaire&# x0022 (division cellulaire) chez les plantes. Il a observé la formation d'une ligne médiane de séparation entre la cellule d'origine et la nouvelle cellule, ce qui, note Dumortier, « nous semble fournir une explication parfaitement claire de l'origine et du développement des cellules, qui est jusqu'à présent restée inexpliquée » (Harris 1999, p. 66) Ces observations l'ont amené à rejeter l'idée que de nouvelles cellules apparaissent à l'intérieur des anciennes, ou qu'elles se forment spontanément à partir de matériel non cellulaire. La découverte de la division cellulaire est généralement attribuée à Hugo von Mohl (1805&# x20131872), mais Dumortier lui a procédé à cet égard. Von Mohl a inventé le mot "protoplasme" pour le matériel contenu dans la cellule.

La première description sans équivoque de la cellule noyau a été faite par un tchèque, Franz Bauer, en 1802 et a reçu son nom en 1831 par Robert Brown (1773&# x20131858) de l'Écosse, qui est surtout connu pour avoir découvert le mouvement aléatoire &# x0022brownien&# x0022 des molécules. La première description précise du nucléole date de 1835.

Schleiden et Schwann, qui sont généralement crédités pour élucider la théorie cellulaire, ont fait leurs marques en 1838 et 1839. En 1838, Matthais Schleiden (1804&# x20131881) a proposé que chaque élément structurel des plantes soit composé de cellules ou de produits de cellules. Cependant, Schleiden a insisté sur la priorité de plusieurs idées qui n'étaient pas les siennes et s'est accroché à l'idée que les cellules naissent par un processus semblable à une cristallisation soit à l'intérieur d'autres cellules, soit de l'extérieur, ce dont Dumortier avait renoncé quelques années plus tôt. (Pour la défense de Schleiden, il ne faut pas oublier que tirer des conclusions incorrectes à partir d'observations limitées est un risque inhérent à la science, en particulier lorsqu'on travaille à la frontière d'un nouveau domaine.)

En 1839, un compatriote allemand, Theodor Schwann (1810&# x20131882), a proposé que chez les animaux aussi, chaque élément structurel est composé de cellules ou de produits cellulaires. La contribution de Schwann pourrait être considérée comme la plus révolutionnaire, car la compréhension de la structure animale était en retard par rapport à celle des plantes. De plus, Schwann a affirmé explicitement que les lois fondamentales régissant les cellules étaient identiques entre les plantes et les animaux : « Un principe commun sous-tend le développement de toutes les sous-unités élémentaires individuelles de tous les organismes » (Harris 1999, p. 102).

Un mot spécial doit être dit ici sur le tchèque Jan Purky&# x0148e (1787&# x20131869), ou Purkinje, comme son nom est généralement donné. Purkinje était la première cytologiste de son époque, et l'un des formulateurs les plus influents de la théorie cellulaire. Il a donné son nom à des structures dans tout le corps, y compris les cellules de Purkinje du cervelet. Purkinje, en fait, mérite une grande partie du crédit qui revient généralement à Schwann, car en 1837, il a proposé non seulement que les animaux étaient principalement composés de cellules et de produits cellulaires (bien qu'il ait laissé de la place pour les fibres), mais aussi que le tissu cellulaire de base est à nouveau clairement analogue à celui des plantes (Harris 1999, p. 92). Malheureusement, Schwann n'a pas crédité Purkinje dans sa publication influente.


5.1 Structure et fonction de la membrane cellulaire

La membrane cellulaire entoure le cytoplasme des cellules vivantes, séparant physiquement les composants intracellulaires de l'environnement extracellulaire. La membrane cellulaire joue également un rôle dans l'ancrage du cytosquelette pour donner une forme à la cellule et dans la fixation à la matrice extracellulaire et à d'autres cellules pour les maintenir ensemble pour former des tissus. Les champignons, les bactéries, la plupart des archées et les plantes ont également une paroi cellulaire, qui fournit un support mécanique à la cellule et empêche le passage de molécules plus grosses.

La membrane cellulaire est sélectivement perméable et capable de réguler ce qui entre et sort de la cellule, facilitant ainsi le transport des matériaux nécessaires à la survie. Le mouvement des substances à travers la membrane peut être soit «passif», se produisant sans apport d'énergie cellulaire, soit «actif», nécessitant que la cellule dépense de l'énergie pour la transporter. La membrane maintient également le potentiel cellulaire. La membrane cellulaire fonctionne ainsi comme un filtre sélectif qui ne laisse entrer que certaines choses à l'intérieur ou à l'extérieur de la cellule. La cellule utilise un certain nombre de mécanismes de transport qui impliquent des membranes biologiques :

Osmose passive et diffusion : Certaines substances (petites molécules, ions) comme le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxygène (O2), peut traverser la membrane plasmique par diffusion, qui est un processus de transport passif. Parce que la membrane agit comme une barrière pour certaines molécules et certains ions, ils peuvent se produire à différentes concentrations des deux côtés de la membrane. La diffusion se produit lorsque de petites molécules et des ions se déplacent librement d'une concentration élevée à une faible concentration afin d'équilibrer la membrane. Il est considéré comme un processus de transport passif car il ne nécessite pas d'énergie et est propulsé par le gradient de concentration créé par chaque côté de la membrane. Un tel gradient de concentration à travers une membrane semi-perméable crée un flux osmotique pour l'eau. L'osmose, dans les systèmes biologiques, implique un solvant, se déplaçant à travers une membrane semi-perméable de la même manière que la diffusion passive, car le solvant se déplace toujours avec le gradient de concentration et ne nécessite aucune énergie. Alors que l'eau est le solvant le plus courant dans la cellule, il peut également s'agir d'autres liquides ainsi que de liquides et de gaz supercritiques.

Canaux et transporteurs de protéines transmembranaires : les protéines transmembranaires s'étendent à travers la bicouche lipidique des membranes, elles fonctionnent des deux côtés de la membrane pour transporter les molécules à travers celle-ci. Les nutriments, tels que les sucres ou les acides aminés, doivent entrer dans la cellule et certains produits du métabolisme doivent quitter la cellule. De telles molécules peuvent diffuser passivement à travers des canaux protéiques tels que les aquaporines en diffusion facilitée ou sont pompées à travers la membrane par des transporteurs transmembranaires. Les protéines des canaux protéiques, également appelées perméases, sont généralement assez spécifiques et ne reconnaissent et ne transportent qu'une variété limitée de substances chimiques, souvent limitées à une seule substance. Un autre exemple de protéine transmembranaire est un récepteur de surface cellulaire, qui permet aux molécules de signalisation cellulaire de communiquer entre les cellules.

Endocytose: L'endocytose est le processus par lequel les cellules absorbent des molécules en les engloutissant. La membrane plasmique crée une petite déformation vers l'intérieur, appelée invagination, dans laquelle la substance à transporter est capturée. Cette invagination est causée par des protéines situées à l'extérieur de la membrane cellulaire, agissant comme des récepteurs et se regroupant dans des dépressions qui finissent par favoriser l'accumulation de plus protéines et lipides du côté cytosolique de la membrane. La déformation se détache alors de la membrane à l'intérieur de la cellule, créant une vésicule contenant la substance capturée. L'endocytose est une voie d'internalisation de particules solides (« cell eating » ou phagocytose), de petites molécules et d'ions (« cell drink » ou pinocytose) et de macromolécules. L'endocytose nécessite de l'énergie et est donc une forme de transport actif.

Exocytose : tout comme le matériel peut être introduit dans la cellule par invagination et formation d'une vésicule, la membrane d'une vésicule peut être fusionnée avec la membrane plasmique, extrudant son contenu dans le milieu environnant. C'est le processus d'exocytose. L'exocytose se produit dans diverses cellules pour éliminer les résidus non digérés de substances apportées par l'endocytose, pour sécréter des substances telles que des hormones et des enzymes, et pour transporter une substance complètement à travers une barrière cellulaire. Au cours du processus d'exocytose, la vacuole alimentaire contenant des déchets non digérés ou la vésicule de sécrétion bourgeonnée de l'appareil de Golgi est d'abord déplacée par le cytosquelette de l'intérieur de la cellule vers la surface. La membrane vésiculaire entre en contact avec la membrane plasmique. Les molécules lipidiques des deux bicouches se réarrangent et les deux membranes sont ainsi fusionnées. Un passage se forme dans la membrane fusionnée et les vésicules évacuent son contenu à l'extérieur de la cellule.

5.1.1 Le modèle en mosaïque fluide de la membrane cellulaire

Selon le modèle de mosaïque fluide de S.J. Singer et G.L. Nicolson (1972), qui a remplacé le modèle antérieur de Davson et Danielli, les membranes biologiques peuvent être considérées comme un liquide bidimensionnel dans lequel les molécules lipidiques et protéiques diffusent plus ou moins facilement. Bien que les bicouches lipidiques qui forment la base des membranes forment bien par elles-mêmes des liquides bidimensionnels, la membrane plasmique contient également une grande quantité de protéines, qui apportent plus de structure. Des exemples de telles structures sont les complexes protéine-protéine, les piquets et les clôtures formés par le cytosquelette à base d'actine, et potentiellement les radeaux lipidiques.

5.1.2 Bicouche lipidique

Lipid bilayers form through the process of self-assembly. The cell membrane consists primarily of a thin layer of amphipathic phospholipids that spontaneously arrange so that the hydrophobic “tail” regions are isolated from the surrounding water while the hydrophilic “head” regions interact with the intracellular (cytosolic) and extracellular faces of the resulting bilayer. This forms a continuous, spherical lipid bilayer. Hydrophobic interactions (also known as the hydrophobic effect) are the major driving forces in the formation of lipid bilayers. An increase in interactions between hydrophobic molecules (causing clustering of hydrophobic regions) allows water molecules to bond more freely with each other, increasing the entropy of the system. This complex interaction can include noncovalent interactions such as van der Waals, electrostatic and hydrogen bonds.

Lipid bilayers are generally impermeable to ions and polar molecules. The arrangement of hydrophilic heads and hydrophobic tails of the lipid bilayer prevent polar solutes (ex. amino acids, nucleic acids, carbohydrates, proteins, and ions) from diffusing across the membrane, but generally allows for the passive diffusion of hydrophobic molecules. This affords the cell the ability to control the movement of these substances via transmembrane protein complexes such as pores, channels and gates. Flippases and scramblases concentrate phosphatidyl serine, which carries a negative charge, on the inner membrane. Along with NANA, this creates an extra barrier to charged moieties moving through the membrane.

Membranes serve diverse functions in eukaryotic and prokaryotic cells. One important role is to regulate the movement of materials into and out of cells. The phospholipid bilayer structure (fluid mosaic model) with specific membrane proteins accounts for the selective permeability of the membrane and passive and active transport mechanisms. In addition, membranes in prokaryotes and in the mitochondria and chloroplasts of eukaryotes facilitate the synthesis of ATP through chemiosmosis.

5.1.3 Membrane Polarity

The apical membrane of a polarized cell is the surface of the plasma membrane that faces inward to the lumen. This is particularly evident in epithelial and endothelial cells, but also describes other polarized cells, such as neurons. The basolateral membrane of a polarized cell is the surface of the plasma membrane that forms its basal and lateral surfaces. It faces outwards, towards the interstitium, and away from the lumen. Basolateral membrane is a compound phrase referring to the terms “basal (base) membrane” and “lateral (side) membrane”, which, especially in epithelial cells, are identical in composition and activity. Proteins (such as ion channels and pumps) are free to move from the basal to the lateral surface of the cell or vice versa in accordance with the fluid mosaic model. Tight junctions join epithelial cells near their apical surface to prevent the migration of proteins from the basolateral membrane to the apical membrane. The basal and lateral surfaces thus remain roughly equivalent[clarification needed] to one another, yet distinct from the apical surface.

Cell membrane can form different types of “supramembrane” structures such as caveola, postsynaptic density, podosome, invadopodium, focal adhesion, and different types of cell junctions. These structures are usually responsible for cell adhesion, communication, endocytosis and exocytosis. They can be visualized by electron microscopy or fluorescence microscopy. They are composed of specific proteins, such as integrins and cadherins.

5.1.4 The Cytoskeleton

The cytoskeleton is found underlying the cell membrane in the cytoplasm and provides a scaffolding for membrane proteins to anchor to, as well as forming organelles that extend from the cell. Indeed, cytoskeletal elements interact extensively and intimately with the cell membrane. Anchoring proteins restricts them to a particular cell surface — for example, the apical surface of epithelial cells that line the vertebrate gut — and limits how far they may diffuse within the bilayer. The cytoskeleton is able to form appendage-like organelles, such as cilia, which are microtubule-based extensions covered by the cell membrane, and filopodia, which are actin-based extensions. These extensions are ensheathed in membrane and project from the surface of the cell in order to sense the external environment and/or make contact with the substrate or other cells. The apical surfaces of epithelial cells are dense with actin-based finger-like projections known as microvilli, which increase cell surface area and thereby increase the absorption rate of nutrients. Localized decoupling of the cytoskeleton and cell membrane results in formation of a bleb.

5.1.5 Intracellular Membranes In Eukaryotic Cells

The content of the cell, inside the cell membrane, is composed of numerous membrane-bound organelles, which contribute to the overall function of the cell. The origin, structure, and function of each organelle leads to a large variation in the cell composition due to the individual uniqueness associated with each organelle.

  • Mitochondria and chloroplasts are considered to have evolved from bacteria, known as the endosymbiotic theory. This theory arose from the idea that Paracoccus and Rhodopseaudomonas, types of bacteria, share similar functions to mitochondria and blue-green algae, or cyanobacteria, share similar functions to chloroplasts. The endosymbiotic theory proposes that through the course of evolution, a eukaryotic cell engulfed these 2 types of bacteria, leading to the formation of mitochondria and chloroplasts inside eukaryotic cells. This engulfment lead to the 2 membranes systems of these organelles in which the outer membrane originated from the host’s plasma membrane and the inner membrane was the endosymbiont’s plasma membrane. Considering that mitochondria and chloroplasts both contain their own DNA is further support that both of these organelles evolved from engulfed bacteria that thrived inside a eukaryotic cell.
  • In eukaryotic cells, the nuclear membrane separates the contents of the nucleus from the cytoplasm of the cell. The nuclear membrane is formed by an inner and outer membrane, providing the strict regulation of materials in to and out of the nucleus. Materials move between the cytosol and the nucleus through nuclear pores in the nuclear membrane. If a cell’s nucleus is more active in transcription, its membrane will have more pores. The protein composition of the nucleus can vary greatly from the cytosol as many proteins are unable to cross through pores via diffusion. Within the nuclear membrane, the inner and outer membranes vary in protein composition, and only the outer membrane is continuous with the endoplasmic reticulum (ER) membrane. Like the ER, the outer membrane also possesses ribosomes responsible for producing and transporting proteins into the space between the two membranes. The nuclear membrane disassembles during the early stages of mitosis and reassembles in later stages of mitosis.
  • The ER, which is part of the endomembrane system, which makes up a very large portion of the cell’s total membrane content. The ER is an enclosed network of tubules and sacs, and its main functions include protein synthesis, and lipid metabolism. There are 2 types of ER, smooth and rough. The rough ER has ribosomes attached to it used for protein synthesis, while the smooth ER is used more for the processing of toxins and calcium regulation in the cell.
  • The Golgi apparatus has two interconnected round Golgi cisternae. Compartments of the apparatus forms multiple tubular-reticular networks responsible for organization, stack connection and cargo transport that display a continuous grape-like stringed vesicles ranging from 50-60 nm. The apparatus consists of three main compartments, a flat disc-shaped cisterna with tubular-reticular networks and vesicles.

Cell memory mechanism discovered

The cells in our bodies can divide as often as once every 24 hours, creating a new, identical copy. DNA binding proteins called transcription factors are required for maintaining cell identity. They ensure that daughter cells have the same function as their mother cell, so that for example muscle cells can contract or pancreatic cells can produce insulin. However, each time a cell divides the specific binding pattern of the transcription factors is erased and has to be restored in both mother and daughter cells. Previously it was unknown how this process works, but now scientists at Karolinska Institutet have discovered the importance of particular protein rings encircling the DNA and how these function as the cell's memory.

The DNA in human cells is translated into a multitude of proteins required for a cell to function. When, where and how proteins are expressed is determined by regulatory DNA sequences and a group of proteins, known as transcription factors, that bind to these DNA sequences. Each cell type can be distinguished based on its transcription factors, and a cell can in certain cases be directly converted from one type to another, simply by changing the expression of one or more transcription factors. It is critical that the pattern of transcription factor binding in the genome be maintained. During each cell division, the transcription factors are removed from DNA and must find their way back to the right spot after the cell has divided. Despite many years of intense research, no general mechanism has been discovered which would explain how this is achieved.

"The problem is that there is so much DNA in a cell that it would be impossible for the transcription factors to find their way back within a reasonable time frame. But now we have found a possible mechanism for how this cellular memory works, and how it helps the cell remember the order that existed before the cell divided, helping the transcription factors find their correct places," explains Jussi Taipale, professor at Karolinska Institutet and the University of Helsinki, and head of the research team behind the discovery.

The results are now being published in the scientific journal Cell. The research group has produced the most complete map yet of transcription factors in a cell. They found that a large protein complex called cohesin is positioned as a ring around the two DNA strands that are formed when a cell divides, marking virtually all the places on the DNA where transcription factors were bound. Cohesin encircles the DNA strand as a ring does around a piece of string, and the protein complexes that replicate DNA can pass through the ring without displacing it. Since the two new DNA strands are caught in the ring, only one cohesin is needed to mark the two, thereby helping the transcription factors to find their original binding region on both DNA strands.

"More research is needed before we can be sure, but so far all experiments support our model," says Martin Enge, assistant professor at Karolinska Institutet.

Transcription factors play a pivotal role in many illnesses, including cancer as well as many hereditary diseases. The discovery that virtually all regulatory DNA sequences bind to cohesin may also end up having more direct consequences for patients with cancer or hereditary diseases. Cohesin would function as an indicator of which DNA sequences might contain disease-causing mutations.

"Currently we analyse DNA sequences that are directly located in genes, which constitute about three per cent of the genome. However, most mutations that have been shown to cause cancer are located outside of genes. We cannot analyse these in a reliable manner -- the genome is simply too large. By only analysing DNA sequences that bind to cohesin, roughly one per cent of the genome, it would allow us to analyse an individual's mutations and make it much easier to conduct studies to identify novel harmful mutations," Martin Enge concludes.

This project was supported by the Center for Biosciences at Karolinska Institutet, Knut and Alice Wallenberg Foundation, the Swedish Research Council, Science for Life Laboratory, the Swedish Cancer Foundation, ERC Advanced Grant GROWTHCONTROL, and the EU FP7 Health project SYSCOL.


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Christine graduated from Michigan State University with degrees in Environmental Biology and Geography and received her Master's from Duke University. In high school she scored in the 99th percentile on the SAT and was named a National Merit Finalist. She has taught English and biology in several countries.


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