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L’anatomie et les fonctions des cellules

Structure schématique d'une cellule eucaryote. Document CUL/CPPE, http://www.cu.lu/labext/rcms/cppe/

Introduction (I)

Pour bien comprendre ce qu'est la vie et toute sa complexité, nous devons nous pencher sur son entité la plus simple, la cellule à vrai noyau, dite eucaryote, pour tenter de comprendre comment elle fonctionne et de quelle manière elle réagit face à son environnement. Se greffe sur cette faculté, l'interaction de l'organisme tout entier avec la biosphère, un sujet qui concerne plus l'écologie et dans une certaine mesure la thermodynamique, autant de thèmes sur lesquels nous nous attarderons dans d'autres dossiers.

Nous allons aborder la question du fonctionnement des cellules, principalement eucaryotes (à noyau et organites), à travers l'étude de l'ADN, la structure cellulaire et de ses facultés de reproduction, avant d'aborder la question des parasites et clôturer cet article sur quelques questions en suspens.

Le corps humain : un organisme autonome

Le corps humain est constitué d'environ un trillion soit 1000 milliards de cellules plus ou moins spécialisées ! Rien que le cerveau d'un nouveau-né contient 100 milliards de neurones. Toutes ces cellules sont organisées dans un but commun : maintenir l'organisme en bon état. Comme une machine, nos tissus et nos organes s'usent et nos fonctions métaboliques se dérèglent. Mais contrairement à une machine, du fait que nos organes sont vivants, des mécanismes nous maintiennent en permanence dans le meilleur état possible, mieux encore que la machine la mieux entretenue. Pour assurer cette fonction vitale, chaque jour des millions de cellules sont renouvellées, du plus profond de nos entrailles à la surface de notre épiderme.

Comme tous les organismes vivants, le corps humain est non seulement autonome et ne compte que sur sa propre énergie pour assurer ses fonctions mais c'est un organisme à la fois stable et instable, ce qui est une condition étrange et a priori paradoxale mais primordiale pour garantir son évolution.

Un foetus humain à la 20eme semaine; déjà plus de dix mille milliards de cellules organisées. Document Lennart Nilsson.

En effet, tout organisme eucaryote doit être stable du point de vue biologique, c'est-à-dire qu'il doit conserver ses caractéristiques au fil des générations.

Mais d'un autre côté, sur le plan thermodynamique, un être vivant doit être instable afin d'être capable de réagir et de s'adapter à son environnement. La plupart du temps il s'agit de fonctions réflexes héritées d'un lointain passé où nous n'étions même pas encore humains et aujourd'hui profondément enfouies dans l'ADN de chaque cellule.

Si l'homme était dans un état thermodynamique stable, en d'autres termes s'il prenait à notre corps l'envie de ne plus s'adapter, de ne plus réagir aux solicitations nerveuses, aux substances chimiques, de ne plus évacuer les déchets, de ne plus réguler la respiration et la circulation sanguine en fonction de l'activité cellulaire, bref de ne plus rien faire, ce serait l'anarchie en quelque minutes : suffocation, douleurs cardiaques, nausées, paralysie, bref la mort de l'organisme.

Ainsi, contrairement à une machine qui doit fonctionner de la manière la plus stable possible, le corps humain doit être thermodynamiquement instable pour assurer ses fonctions. La machine à toutes les chances de s'user et de tomber en panne, tandis que le corps humain bénéficie d'une assurance-vie assortie d'un dépannage discret à perpétuité, ou du moins valable environ un siècle.

Cette faculté d'adaptation extraordinaire qui nous suit durant la vie nous donne déjà une idée du degré de complexité des organismes évolués mais malheureusement personne ne comprend très bien comment tous ces éléments interagissent et évoluent.

Déjà au stade du foetus, c'est la grande inconnue. L'embryon se métamorphose mais personne ne sait vraiment par quelle magie !

Comme une fourmilière ou une ruche, il y a bien un cerveau central et un réseau de communication complexe qui le relie à tous ses sujets, mais les "individus", nos différentes cellules, tissus et organes ne semblent pas lui obéir au doigt et à l'oeil. Ils respectent néanmoins un ordre général du genre : "Au travail et maintenez-moi cet organisme en état !" C'est un ordre très vague qui pourtant fonctionne sans grandes anicroches chez tous les êtres vivants depuis des milliards d'années.

On peut donc supposer qu'au centre de chaque cellule préside un "centre de contrôle relais" qui assure le transit des informations et veille localement à la bonne exécution des tâches. Il semble respecter un plan de construction ou de maintenance général mais que personne n'a encore trouvé. Mais peut-être ne cherchons-nous pas au bon endroit ou l'arbre cache-t-il peut-être la forêt...

Il s'agit toutefois d'une vision mécaniste de notre métabolisme qui reste très naïve. Ainsi que nous l'avons expliqué à propos de la chimie prébiotique, lors des balbutiements des premières formes de vie dans les marais chauds de Darwin, de toute évidence elles ne disposaient pas encore de "centre de contrôle relais" ni même de centre de contrôle du tout !

L'ADN contenu dans le noyau cellulaire, car c'est bien de lui qu'il s'agit, est une structure apparue très tard dans l'histoire de la vie, il y a environ 1.2 milliards d'années, puis seulement sont apparus les vertébrés (500 millions d'années) ensuite les mammifères (200 millions d'années) pour aboutir à l'homme vieux d'à peine 7 millions d'années en tenant compte de notre ancêtre Toumaï. Qu'a donc l'ADN de si particulier pour avoir été intégré dans tous les organismes vivants et même les virus[1] ? Tentons de répondre à cette question et à quelques autres.

Le code génétique

Au sein d'une même espèce, les individus présentent à la fois des caractères communs et des caractères individuels. Ce paradoxe apparent s'explique par les propriétés du code génétique, de l'ADN.

En effet, l’ADN ou acide désoxyribonucléique est regroupé dans 26000 à 30000 gènes, porteurs de l'information héréditaire; c'est le génome. Mémoire génétique de l'organisme, il est présent dans le noyau de chacune des cellules de notre corps, des neurones du cerveau à l'épiderme, en passant par les gamètes.

A ne pas confondre avec d'autres structures tels que les poils ou les ongles qui sont constitués de protéines (kératine), des substances sur lesquelles nous reviendrons.

La molécule d'ADN étant tellement grosse tant en masse qu'en volume (voir plus bas) que la nature l'a compactée au maximum et dotée de capacités étonnantes afin que la machinerie cellulaire puisse la manipuler plus facilement (nous verrons comment), notamment pour la synthèse des protéines et la reproduction sur lesquelles nous reviendrons.

A l'échelle macroscopique, la molécule d'ADN enfouie au coeur des chromosomes présente une succession de pliages et de compactions d'une rare complexité qui, ajoutée à sa faculté de mémorisation, rend la molécule d'ADN unique en son genre.

La molécule d'ADN qui mesure quelques centaines de nanomètres de longueur a dut subir un processus de compaction d'un facteur 7 au niveau nuléosomique (le plus élémentaire), puis un enroulement sous forme de fibres de chromatines d'un facteur 6 afin de tenir dans le volume minuscule du chromosome ! Voyons ce mécanisme en détail et profitons-en pour définir ses principaux composants.

A consulter : GeneCards, Compendium du génome humain

A lire : 23andMe décode votre ADN pour 1000$ (sur le blog, 2007)

La décomposition de la structure d'un chromosome jusqu'à l'isolement de l'ADN.

Comme l'explique le schéma ci-dessus, l'ADN est tout d'abord empaqueté et plié grâce à cinq types de protéines basiques (riches en lysine et arginine) appelées histones dans un complexe appelé nucléohistone.

Ce complexe est organisé dans des unités répétitives de 10 à 11 nm appelées nucléosomes comprenant 8 molécules d'histones appelées un octamère d'histones autour duquel s'enroule l'ADN sur un tour trois-quart sur une longueur de 146 paires de bases. Ces nucléosomes sont reliés entre eux par une molécule d'ADN de 2.5 nm de diamètre appelée le lien internucléosomique.

Ces chapelets de nucléosomes sont ensuite rassemblés dans une fibre de chromatine d'environ 30 nm de diamètre et excessivement longue comprenant l'ADN, l'ARN et les histones.

Ces chromatines existent sous deux états, l'une active appelée l'euchromatine, l'autre inactive appelée l'hétérochromatine. Cette différence est essentielle.

L'euchromatine ou plus précisément les histones de l'euchromatine correspondent à une chromatine décompactée et déspiralisée correspondant aux zones actives des gènes (l'endroit où ils sont transcrits, c'est-à-dire où ils sont copiés pour transmettre l'information héréditaire qu'ils contiennent). L'euchromatine est principalement localisée à l'intérieur du nucléoplasme et représente environ 10% de l'ADN, 80% du restant étant sous une forme hybride entre l'euchromatine et l'hétérochromatine.

Le second état de la chromatine est représenté par les histones de l'hétérochromatine. Elles correspondent à une chromatine condensée et donc inactive où généralement les gènes ne sont pas exprimés (la transcription est inactive) mais localement des régions sont transcrites. Ce type de chromatine représente 10% de l'ADN et se trouve généralement près des centromères et des télomères des chromosomes. L'hétérochromatine est généralement localisée en périphérie du noyau et du nucléole.

Ces fibres de chromatines mesurent environ 700 nm de diamètre. Etant donné qu'elles sont très longues, elles sont enroulées sur elles-mêmes puis hautement compactées dans les chromosomes dont la largeur est d'environ 1700 nm ou 0.0017 mm soit 100 fois plus fin que l'épaisseur d'un cheveux (~0.1 mm ou 100 microns).

A voir : Les acides nucléiques, R.Querant

A gauche, traces de fibres de chromatines (en rouge), la substance à la base des chromosomes des cellules eucaryotes (association d'ADN et de protéines histones) au cours d'une division cellulaire. A droite, le caryogramme du génome humain répartis en 23 paires de chromosomes. Dans ce cas ci, il s'agit d'un homme du fait de la présence d'un chromosome Y à la place de 2 chromosomes X (mais non identiques) chez la femme. Ce caryogramme fut réalisé par la technique de FISH (Fluorescent In-Situ Hybridization) qui permet de mettre en évidence les groupes de séquences de même longueur d'onde et les éventuels mélanges chromosomiques.

Vu de l'extérieur, chaque chromosome dispose d'un région plus ou moins médiane pincée appelée centromère qui intervient lors de la division cellulaire. Aux extrémités du chromosome se situent les télomères qui déterminent la fin des séquences génétiques et évitent aux chromosomes de fusionner entre eux. Récemment, on a découvert que ces télomères contenaient de l'ARN qui peut jouer un rôle dans le vieillissement cellulaire puisque les télomères raccourcissent à chaque division cellulaire.

Le génome humain comprend 46 chromosomes répartis en 23 paires : 22 paires de chromosomes homologues ou autosomes plus 1 paire de chromosomes dits sexuels ou gonosomes (hétérochromosomes), XX chez la femme et XY chez l'homme.

Les 22 paires de chromosomes autosomes sont numérotés de 1 à 22 et classés en 7 groupes de A à G en fonction de leur taille et de la position du centromère. Cet ensemble de chromosomes forme le caryotype et varie d'une espèce à l'autre.

La molécule d'ADN

A l'échelle moléculaire, chez l'homme l'ADN comprend quelque 3.4 milliards de paires de bases (3.4 x 106 kbp), ce qui représente une macromolécule de plus de 12 milliards d'atomes ! Par comparaison, la mouche dispose de 117 millions de paires de bases, le maïs de 2 milliards de paires de bases et la salamandre de 34 milliards de paires de bases.

Comme on le voit dans l'illustration ci-dessous, chaque maillon de cette macromolécule contient quatre bases azotées ou nucléotides : l'adénine (A), la thymine (T), la guanine (G), la cytosine (C) complété par un sucre simple (S) et un acide phosphorique (P), le phosphodiester qui joue le rôle d'armature de la double hélice. Les bases azotées s'apparient toujours sous la forme C-G et A-T reliées par 2 ou 3 liaisons hydrogène selon la molécule.

La répétition de ces 4 lettres dans un ordre précis forme le matériel génétique unique de chaque individu. La disparition d’un seul atome ou d'un acide aminé de cette chaîne peut déclencher des maladies infectieuses, parfois héréditaires.

Observée au microscope électronique, la molécule d’ADN forme une double hélice excessivement longue constituée de deux séries antiparallèles de nucléotides en vis-à-vis.

A voir : Extraction de l'ADN de la salive

A expérimenter : Extraction de l'ADN d'une banane

Structure moléculaire de l'ADN

La double hélice anti-parallèle de la molécule d'ADN et ses 3 milliards de paires de nucléotides ou bases. Consultez le texte pour les explications. A droite, la structure primaire (la séquence des paires de bases de la molécule) de la double hélice de l'ADN-b. Les couleurs font référence aux différentes bases (jaune: phosphodiester, bleu: guanine, gris: cytosine). Cliquer sur l'image pour lancer l'animation (fichier .mov de 3.3. MB dont voici la légende). Documents T.Lombry inspiré du ESG/MIT et MRSEC/U.Wisconsin-Madison.

La double hélice de l'ADN peut prendre 3 configurations ou formes selon la séquence et la concentration ionique du milieu :

- Forme A ou ADN-a : hélice à droite, les paires de bases sont inclinées de 19° par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de l'hélice, le grand sillon est bien visible tandis que le petit sillon est écrasé et indiscernable;

- Forme B ou ADN-b : hélice à droite, les paires de bases sont perpendiculaires au plan de l'axe de l'hélice, le grand et le petit sillons sont bien visibles (comme ci-dessous à droite). C'est la forme la plus courante;

- Forme C ou ADN-z : hélice à gauche, les paires de bases sont perpendiculaires au plan de l'axe de l'hélice, les deux sillons sont équivalents. Elle est assez rare.

Dix paires de nucléotides ou bases forment une spire de 2 nm de diamètre (2 millionièmes de millimètres) et de 3.4 nm de longueur. L’extension complète de l’ADN humain forme un fil de plus de 1.20 m de long et de 1.27x10-14 mm de largeur qui tient à l’aise dans un centimètre cube au fond d’une éprouvette !

Pour l'anecdote et bien comprendre combien cette machinerie génétique est longue, si nous attachions l'ensemble des brins d'ADN de toutes nos cellules (soit un trillion), on pourrait faire 600 fois l'aller-retour Terre-Soleil. Si vous tapiez les lettres du génome humain à raison de 60 mots par minute durant 8 heures par jour, il vous faudrait... 50 ans pour le transcrire.

Enfin, si les 3 milliards de paires de bases étaient superposées en laissant l'épaisseur d'une feuille de papier (0.1 mm) entre chacune, la pile atteindrait 787 fois la hauteur de l'Empire Empire State Building (381 m) soit 300 km d'altitude !

La longueur de l'ADN ne reflète pas le degré d'évolution. Plus que la dimension, c'est le contenu, la fonction des gènes, qui est essentielle. La longueur de l’ADN des oiseaux atteint 30 cm et celle de la grenouille peut atteindre 2.40 m !

La complexité de la vie : le génome du virus Epstein-Barr est environ 16000 fois plus court que le celui de l'homme et pourtant nous ne pouvons le représenter que sous forme schématique dans cette illustration. Ce génome contient 172282 nucléotides dont l'unité élémentaire est le codon constitué de 3 bases.

Les acides aminés

Les acides aminés sont des substances fabriquées (codées) par les gènes présents dans les chromosomes. Ces substances sont indispensables au bon fonctionnement des processus métaboliques et notamment au stockage de toutes les substances nutritives dont le corps a besoin : eau, protéines, lipides, oligo-éléments, vitamines. Autrement dit, leur déficience entraîne des carences et des maladies (fatigue, obésité, cholestérol, diabète, insomnie, perte des cheveux, accentuation des rides, etc).

Tous les acides aminés ont une fonction acide (COOH) et amine (NH2) plus un radical, une molécule variable qui les différenciera.

Le nombre d'acides aminés possible est lié à la combinaison des bases simples A, G, T, C ou U (uracile). Sur 64 combinaisons possibles, 20 acides aminés sont fondamentaux. Le plus simple est la méthionine (Met) seule combinaison de bases ou codon (AUG), jusqu'à l’arginine (Agr) et la leucine (Leu) formées de 6 codons.

A voir : Comment fait on une analyse ADN ?, Unisciel

Séquençage de l'ADN, Enième Prod

Les acides aminés

A gauche les 20 acides aminés participants aux réactions biochimiques. Cliquer sur l'image pour visualiser l'ensemble du tableau.

Les 64 codons du code génétique. Le codage de l'ADN est universel mais on rencontre chez les mitochondries des déviations par rapport à ce code. Ainsi les gènes mitochondriaux humains et ceux de la drosophile codent UGA pour la tryptophane, AUA pour la méthionine. Les mitochondries des saccharomyces codent CUA pour la thréonine. Cliquer sur le tableau pour visualiser les 64 codons.

Nos 4 lettres qui forment l'alphabet de la vie nous donnent ainsi accès aux processus de reproduction et de contrôle des organismes vivants. C'est la mutation de cette structure simple qui aboutit au bout de 4.5 milliards d'années à l'ancêtre de l'homme.

Génotype et phénotype

Les lois de Mendel

En réalisant des expériences de fécondation croisée avec des graines de pois notamment et en observant de quelle manière les plants et les pois changeaient de forme et de couleurs au fil des générations, en 1860, le moine et botaniste Tchèque Grégor Mendel découvrit que les caractères héréditaires se répartissaient de façon précise chez les individus. Aujourd'hui on préciserait sa pensée en disant que les gènes se transmettent d'une génération à l'autre en exprimant des caractères dominants et récessifs.

Les travaux de Mendel ne furent pas reconnus de son vivant mais il avait vu juste quand il disait "un jour mon heure viendra". Mendel avait en effet découvert les lois de l'hérédité, ce que ses successeurs appelleront les lois de Mendel qui se résument comme suit :

1. La loi d'uniformité des hybrides de première génération : si on croise deux variétés d'individus de race pures se distinguant par un seul caractère (homozygotes), tous les descendants de la première génération, les hybrides F1, sont identiques. Autrement dit, si les parents sont de souche pure, aucune forme intermédiaire n'apparaît à la première génération (en excluant les mutations).

2. La loi de disjonction des allèles : lors du croisement entre deux des individus de générations F1, c'est-à-dire des individus qui se différencient par 2 caractères, on obtient à la deuxième génération F2 quatre types distincts dans des proportions 3:1. Autrement dit, les facteurs héréditaires se séparent dans les gamètes, chaque gamète ne contenant qu'un facteur de chaque caractère.

3. La loi de ségrégation : le croisement des individus de générations F2 (possédant quatre génotypes distincts) formera toutes les combinaisons possible. Autrement dit la ségrégation est indépendante des caractères héréditaires multiples. Cette règle ne s'applique que si les gènes responsables des caractéristiques acquises se situent sur différents chromosomes ou s'ils sont éloignés sur le même chromosome.

A voir : Les lois de Mendel

Les génies de la génétique, Guilgamesh/La Cinquième

A gauche, les sept caractères étudiés sur les plants et les graines de pois par Mendel. A la première génération, les plants qui ont des fleurs blanches donnent des pois jaunes et les plants ayant des fleurs violettes donnent des poids verts. Mais l'effet de la combinaison des allèles altère cette théorie dès la deuxième génération. A droite, illustration des trois lois de Mendel expliquant la différence entre le génotype et le phénotype des individus en raison du transfert des allèles A et a.

Le rôle des allèles

Le caractère d'un individu dépend de son génotype, de l'expression des gènes (bien que l'environnement joue également un rôle). L'homme partage au moins 25% de ses gènes avec les autres créatures vivantes, des mammifères aux poissons en passant par les végétaux. Seule différence, ceux-ci sont simplement plus éloignés de nous dans le temps, leur génome s'étant modifié au cours de l'évolution.

Chaque gène occupe une place précise sur un chromosome, ce qu'on appelle le locus. Cet emplacement génétique spécifique permet aux généticiens d'associer des caractéristiques biologiques à l'expression d'un gène. Mais tous ne sont pas exprimés.

Sur l'ensemble du génome humain, selon une étude espagnole publiée en 2014, environ 60% soit 19000 gènes sont exprimés et ce nombre à tendance à diminuer à mesure que les recherches s'affinent.

Il est important de distinguer le génotype d'un individu, c’est-à-dire son patrimoine génétique, et le phénotype, c'est-à-dire son apparence physique, ses traits ou caractères.

Le caractère dominant ou récesssif de certains gènes portés par les chromosomes crée autant de versions différentes des gènes qu'on appelle les allèles. C'est leur variabilité qui explique les particularités de chaque individu tout en héritant des caractères généraux de l'espèce.

Si les deux allèles sont identiques, l'individu est dit homozygote pour ce locus. Si les allèles sont différentes, l'individu est dit hétérozygote pour ce locus. Enfin, il y a le cas particulier des mâles hémizygotes, c'est-à-dire porteurs des gènes du chromosome X.

A l'inverse, le phénotype décrit l'individu selon l'expression du génotype en réponse à  la pression de l'environnement.

Dans une population d'individus, il peut avoir un grand nombre d'allèles d'un même gène sans pour autant qu'ils soient exprimés chez tous les individus.

Ainsi, le gène OCA2 qui détermine la couleur des yeux chez l'homme, peut avoir des allèles codant pour la couleur bleue, verte, noisette ou marron. La couleur marrons est dominante tandis que le bleu est récessif.

Un individu possédant deux allèles normaux et un individu possédant un allèle normal et un allèle mutant présentent généralement le même phénotype. En revanche, un individu ayant deux allèles mutants présentera un phénotype différent d’un organisme possédant au moins un allèle normal.

Mis à part le cas des mutations, le phénotype d'un individu peut changer au cours de sa vie alors que son génotype reste constant.

Voyons à présent certains mécanismes génétiques et cellulaires dans le détail.

Prochain chapitre

Le sens de l'information génique

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[1] Pour plus de détails lire en particulier F.Crick, Journal of Molecular Biology, 38, 1968, p367 - M.Shimizu, Journal of Molecular Evolution, 18, 1982, p297. Pour tout savoir sur la biologie, consulter le site éducatif eBiologie.


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