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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 100 mille 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 les virus ?[1]

Le code génétique

Ainsi que nous l'avons expliqué dans l'article consacré à l'origine de la vie, l’ADN ou acide désoxyribonucléique contient tout notre patrimoine héréditaire, le génome. Mémoire génétique de l'organisme, il est présent dans chacune des cellules de notre corps, des neurones du cerveau à l'épiderme.

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. 

L'ADN en trois dimensions

GIF 48 Kb, U.Magdeburg

GIF de 208 Kb, MIT

 MOV 3.3 Mb

Légende

Chez l'homme, l'ADN comprend quelque 2.9 milliards de paires de bases (2.9x106 kbp), ce qui représente une macromolécule de 12 milliards d'atomes ! 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 et un acide phosphorique.

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. 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 !

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

Structure de l'ADN

La molécule d'ADN est constituée d'une très longue chaîne constituée de 3 milliards de paires de nucléotides ou bases. Chaque nucléotide se compose d'un acide phosphorique (P), d'un sucre (S) et de plusieurs bases : adénine(A), thymine (T), guanine (G) et cytosine (C). Les nucléotides forment ainsi une double hélice inversée qui s'enroule de nombreuses fois sur elle-même. La répétition de ces 4 lettres dans un ordre forme le matériel génétique d’un individu. La disparition d’un seul acide aminé de cette chaîne peut déclencher des maladies infectieuses, parfois héréditaires. Document T.Lombry inspiré du ESG/MIT.

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 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 !

Précisons enfin que 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.

Transcription et traduction de l'information

Comment le noyau cellulaire communique-t-il avec son environnement ? Dans son principe, quand une cellule eucaryote a besoin d'une substance spécifique pour assurer ses fonctions métaboliques, Francis Crick a découvert à la fin des années 1950 que l'information se transmettait essentiellement de l'ADN vers l'ARN aux protéines au cours d'un processus qui se déroule en plusieurs étapes centrées sur une transcription (copie) et une traduction de l'information.

Les deux brins de la double hélice de l’ADN formés de bases complémentaires constituent en quelque sorte un original et sa copie. A partir de l'ADN du noyau, un gène est copié sous forme d'ARN prémessager (pre-ARNm).

L’ADN se divise sur une certaine longueur sous l’action d’un complexe multienzymatique, le réplisome. Contrairement à la représentation souvent donnée, selon Christian de Duve le réplisome est fixe et probablement ancré au niveau du mésosome et c’est l’ADN qui se déplace. Il se présente symétriquement à travers deux réplisomes jumeaux et sort du complexe sous forme dupliquée. Ce mécanisme est très lourd car il doit surmonter de nombreux problèmes topologiques et mécaniques liés à la structure hélicoïdale et l’orientation antiparallèle des deux brins d’ADN, et veiller à ce que la réaction enzymatique soit amorcée par un ARN. Ca c'est en théorie car en pratique le processus est bien plus complexe et n'est pas encore totalement élucidé.

A lire : Le deuxième code génétique (Pour La Science, 2010)

Découverte du code de l'épissage alternatif

La molécule d'ADN et la décomposition de la structure d'un chromosome jusqu'à l'isolement de l'ADN. Documents NHGRI et Pearson Education, Inc. adaptés par l'auteur.

Le processus d'épissage

Depuis les années 1980 les généticiens ont remarqué que le code génétique ne suffisait pas à expliquer la diversité des protéines (des tissus biologiques) :  un gène peut conduire à la fabrication de plusieurs protéines différentes, la cellule étant capable de produire des milliers d'ARN messagers (ARNm). Inversement, les généticiens ne retrouvaient pas le texte exact de l'ADN à l'origine d'une protéine. Il leur manquait donc une information, comme si durant le processus de l'épissage (la transcription de l'ADN en ARN) il existait un code intermédiaire définissant quel type d'ARN messager devait être produit en fonction de la nature du gène ou du tissu concerné.

C'est ce qu'on découvert en 2010 Benjamin Blencowe et Brendan Frey de l'Université de Toronto en perçant le mystère entourant l'épissage alternatif (alternative splicing). Ou comment, à partir de seulement 20000 gènes, le génome humain génère des informations génétiques bien plus nombreuses et complexes, contrôlant la plupart des activités cellulaires.

Grâce à ce "deuxième code génétique" qui permet de décupler le potentiel de l'ADN, l'ARN prémessager est découpé puis réassemblé selon le code de l'épissage. L'ARN est ensuite décodé et l'ARN messager (ARNm) est constitué.

Concrètement, les bases doivent se recombiner par paires et de façon unique : A avec T et G avec C. Lorsque les nucléotides des ARN trouvent leur base complémentaire, une enzyme polymérase les assemble avec l’ARN messager. Cette transcription suit donc le même ordre que celui des séquences de l’ADN et peut se répéter un très grand nombre de fois. Les séquences d’ADN qui sont transcrites mais non traduites en protéines sont dénommées introns. Elles sont détruites lors de l'épissage. Celles qui sont traduites sous forme de protéines et véhiculées par l’ARN messager sont dénommées extrons. Mis bout-à-bout, les extrons forment une séquence qui varie d'un tissu à l'autre. Au terme de cette étape, l'ARN prémessager donne naissance à un ARN messager spécifique à chaque tissu. Il est ensuite traduit en une protéine.

Au cours de la transcription de l’ADN, les gènes assurent plusieurs tâches : avant toute chose ils synthétisent des ARN fonctionnels, surtout des ARN de transfert (ARNt) dont certains sont débités et mis à dimension par des enzymes contenant des ARN à fonction catalytique (telle la ribonucléase P chez le fameux colibacille Escherichia coli). Il faut insister sur ce point car cette molécule d’ARN est capable de catalyser une réaction presque aussi efficacement que le complexe réplisome !

La transcription de l’ADN sert également à synthétiser des ARN ribosomiaux (ARNr) qui assurent la croissance des bactéries (transcription des gènes).

Prochain chapitre

La synthèse des protéines

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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- C.de Duve, "Construire une cellule", De Boeck-Université, 1990/1997 - H.Firket, “La cellule vivante”, PUF-Que sais-je ?, 989, 1992 - G.Karp, Biologie cellulaire & moléculaire, De Boek, 2004.


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