1. Généralités sur la biologie cellulaire

 Introduction

   La vie sur Terre est apparue il y a un peu plus de trois milliards d’années. Différentes théories coexistent pour l’expliquer parmi laquelle la théorie du monde de l’ARN primitif. Cette théorie, assez largement acceptée, repose sur le fait que l’ARN constituerait le point initial. Celui-ci aurait acquis des propriétés enzymatiques (toujours retrouvées aujourd’hui au niveau des ribozymes). Ensuite, grâce à l’information génétique portée par l’ARN et l’apparition du ribosome seraient apparues les protéines. Enfin, notamment pour des raisons de stabilité, l’ARN aurait donné naissance à l’ADN. L’encapsulation de ces trois types de biomolécules à l’intérieur d’une bicouche lipidique serait à l’origine de la cellule primitive.

1.1. Fondation de la théorie cellulaire

Les observations et les découvertes de ces scientifiques ont mené à établir la théorie cellulaire qui comporte trois grands principes

·         Tous les êtres vivants se composent d’une ou de plusieurs cellules.

·         La cellule est l’unité de base de la vie.

·         Toute cellule provient d’une autre cellule par division cellulaire.

1.2. Les types cellulaires

Les cellules sont divisées en deux grands groupes en fonction de leur structure : les cellules procaryotes et les cellules eucaryotes.

1/ Les cellules procaryotes

Les cellules procaryotes (du grec ancien pro= primitif ; caryon = noyau) signifient cellules sans vrai noyau, c’est-à-dire que le matériel génétique n’est pas enfermé dans une enveloppe nucléaire. La cellule procaryote présente une ultrastructure simple du fait de l’absence des organites intracellulaires. Les procaryotes correspondent essentiellement à des organismes unicellulaires, il s’agit essentiellement des bactéries.

Figure 2 : Structure d’une cellule procaryote (Cellule Bactérienne)

2/ Les cellules eucaryotes

Les cellules eucaryotes (eu = vrai, caryon = noyau) possèdent un noyau délimité par une enveloppe nucléaire qui contient le matériel génétique. Leur cytoplasme est hautement structuré contenant un système endomembranaire et des organites. Les cellules eucaryotes constituent la quasi-totalité des organismes multicellulaires. Parmi les cellules eucaryotes on distingue deux types de cellules : Les cellules animales et les cellules végétales (figure3, 4). Les cellules animales et végétales présentent en grande partie les mêmes organites mais elles peuvent être différenciées par la présence d’organites en elles.

                                      Figure 3 : Ultrastructure d’une cellule animale.

     Figure 4 : Ultrastructure d'une cellule végétale 

3/ Les caractéristiques des cellules procaryotes et eucaryotes

Toutes les cellules soient eucaryotes ou procaryotes ont en commun quatre constituants clefs :

·   La membrane plasmique

·   Le cytoplasme

·   L'ADN

·   Les ribosomes

Malgré ces ressemblances, les procaryotes et les eucaryotes sont différents sur un certain nombre de points (tableau 1).

Tableau 1 : principales différences entre la cellule eucaryote et procaryote

1.3. Structure des virus (Acaryotes)

Les virus sont composés de :

·   Un acide nucléique : ADN ou ARN formant son génome.

·   Capside : une structure de nature protéique pour protéger l’acide nucléique.

·   Enveloppe : existe chez certains virus (ex : virus de Covid 19). Elle dérive par bourgeonnement de la cellule hôte (infectée).

• Classification

Elle repose sur la structure des virus. Les trois premiers critères de la classification sont, dans l’ordre :

·  Le type d'acide nucléique du génome, ADN (adénovirus) ou ARN (rétrovirus).

·  La symétrie de la capside [capside à symétrie cubique (icosaédrique), capside à symétrie tubulaire (capside hélicoïdal)].

·  La présence ou l'absence d'enveloppe.

• Le cycle viral

Ce sont toutes les étapes que doit subir un virus pour aboutir à la production de nouvelles particules virales (virions) [Figure 5]. La multiplication d'un virus consiste en l'introduction du génome viral dans une cellule et c'est elle qui va fabriquer de nouveaux virus.

          Figure 5: Le cycle viral du SARS-CoV-2 et les cibles thérapeutiques à l’étude ©Inserm/Camille  Henry.

2. Les méthodes d’étude de la cellule

L’observation des cellules est délicate du fait de leurs très petites tailles, et nécessite un certain nombre de techniques pour les mettre en évidence. Ces méthodes:

•  Permettent l’observation de l’organisation morphologique des cellules.
• Etudient la structure de cellules mortes ou vivantes.

2.1. La microscopie

• L’examen des cellules a toujours répondu à l’utilisation des microscopes.
• Il existe deux types de microscopes suivant leur résolution : les microscopes dits « Optiques » qui vont utiliser un faisceau lumineux, et les microscopes électroniques qui vont utiliser un faisceau d'électrons. Que ce soit pour la microscopie optique ou électronique, les structures à étudier nécessite une préparation.

La préparation des coupes fines se fait en plusieurs étapes :

Voir vidéo :  

1. La fixation : consiste à plonger le tissu à étudier dans un fixateur, qui tue les cellules mais permet leur immobilisation et leur conservation. Exemples de fixateurs : le formaldéhyde et le glutaraldéhyde, le tétroxyde d’osmium
2. La déshydratation permet l’élimination de l’eau :   L’eau est retirée au cours de passage dans des bains d’alcools successifs.
3.  L’inclusion : l’échantillon est inclus dans un matériau tendre et résistant comme de la résine, ou de la paraffine, qui permet une solidification de l’échantillon.
4.  La formation des coupes ultrafines est réalisée par des microtomes.
5.  La coloration permet de renforcer le contraste des cellules et de leurs constituants. La coloration des coupes se fait par différents types de colorants ou méthodes de mise en évidence, les colorants utilisés peuvent être naturels ou synthétiques.
6.  Le montage : les coupes sont étalées et collées sur lame de verre.

2.2. Le microscope optique

Les microscopes optiques (à lumière transmise ou photoniques) permettent l’observation de cellules vivantes ou mortes, grâce à des coupes très fines de préparations fixées. L’échantillon est éclairé en lumière transmise, et est examiné à travers un système optique qui comprend :

a)       Un objectif: qui donne une image grossie de la structure étudiée.

b)       Un oculaire: qui permet l’examen de l’image.

L’image de l’échantillon est agrandie jusqu’à 1000 fois, avec un pouvoir séparateur de 1/10 de micromètres.

a- Le microscope à fluorescence : est un microscope optique qui porte deux filtres interposés entre l’échantillon coloré par des molécules fluorescentes, app: fluorochromes :

•  Le premier filtre ne laisse passer que la lumière qui excite le fluorochrome.
•  Le deuxième filtre ne laisse passer que la lumière émise par le fluorochrome.

Les fluorochromes absorbent une lumière spécifique, et émettent une lumière différente.

Ex : la Fluorescéine et la Rhodamine.

Dans ce type de microscope les structures à étudier apparaissent très colorées sur un fond noir.

b-Le microscope à contraste de phase : il est basé sur le fait que l’onde lumineuse qui traverse les structures est retardée et change de phase par rapport à l’onde qui arrive directement à l’observateur.

Ce type de microscope permet l’observation de structures vivantes, non fixées et non colorées, en absence de coloration ces structures sont peu ou pas visibles. Les structures observées apparaissent en relief.

2.3. Le microscope électronique

•    va nous permettre à l'intérieur de la cellule d'étudier des objets extrêmement petits, jusqu'à l'échelle d'une macromolécule. Le microscope électronique
•  va nécessiter une préparation spéciale des cellules qui est différente de celle de la microscopie optique.

• Il donne des photos en noir et blanc.

1.      Le microscope électronique à transmission (MET) :

-  Utilise un rayonnement électronique.

-  Possède un pouvoir séparateur 40 000 fois supérieur à celui du microscope optique et deux millions de fois plus que l’œil humain, et qui est théoriquement de 2nm.

- Les microscopes électroniques nécessitent la déshydratation de l’échantillon et donc la mort des cellules et du fait du faible pouvoir pénétrant des électrons les échantillons doivent être sous forme de coupes ultra fines (< 0,1um) après inclusion dans une résine.

- L’objet fixé est bombardé d’électrons, ces derniers permettent d’obtenir une image agrandie, qui se formera sur un écran fluorescent.

 * Technique de coloration négative 

Certaines structures échappent à la microscopie électronique, la coloration négative permet de les mettre en évidence. L’échantillon biologique est placé sur un film et on attend que les sels de métaux lourds se déposent autour de l’échantillon, qui est coincé dans une pellicule de colorant imperméable aux électrons. Il apparait en clair sur un fond sombre.

2.      Le microscope électronique à balayage (MEB): Consiste à balayer un échantillon par un faisceau d’électrons, la surface est recouverte d’un film de platine obtenu par ombrage métallique.

• L’ombrage métallique de l’échantillon à étudier consiste à vaporiser sous vide une très fine couche de métal lourd, qui recouvre l’échantillon d’une fine pellicule. L’ombrage métallique permet d’accentuer les reliefs.

•  Le microscope électronique à balayage donne des images tridimensionnelles de l’échantillon, et permet d’étudier les surfaces cellulaires, les organites et même à l’intérieur des membranes.

Figure1 : Le microscope optique MO et le microscope électronique ME.

2.4. Les méthodes de fractionnement subcellulaire

Les méthodes de fractionnement subcellulaire consistent à séparer les différents composants cellulaires par destruction de la membrane plasmique, puis par désorganisation de la cellule.

1-      L’ultracentrifugation différentielle
Voir vidéo   

La centrifugation différentielle permet la purification de l’homogénat en fonction de la taille et de la densité de ses constituants. L’homogénat est placé dans une centrifugeuse ; à chaque vitesse, différents organites se déposent dans le culot, qui sera prélevé.

Figure 2: Fractionnement cellulaire par ultracentrifugation différentielle