Une structure complexe : la cellule vivante
Première · Enseignement scientifique · Une longue histoire de la matière
Une longue histoire de la matière
La cellule, ses échelles et sa membrane
Après les éléments chimiques et les cristaux, voici un troisième niveau d'organisation de la matière, propre au vivant : la cellule. Elle n'utilise aucun atome exotique — carbone, hydrogène, oxygène, azote, les mêmes que partout ailleurs — mais elle les assemble en un édifice d'une complexité inégalée, séparé du monde extérieur par une membrane d'à peine quelques nanomètres.
Des échelles emboîtées, de l'atome à la cellule
| Objet | Ordre de grandeur | En mètres |
|---|---|---|
| Atome | 0,1 nm | 10 puissance -10 m |
| Molécule d'eau | 0,3 nm | 3 × 10 puissance -10 m |
| Épaisseur de la membrane plasmique | environ 10 nm | 10 puissance -8 m |
| Virus | environ 100 nm | 10 puissance -7 m |
| Bactérie | environ 1 µm | 10 puissance -6 m |
| Cellule eucaryote | 10 à 100 µm | de 10 puissance -5 à 10 puissance -4 m |
| Diamètre d'un cheveu | environ 100 µm | 10 puissance -4 m |
La membrane plasmique : une frontière construite par l'eau
La membrane qui délimite chaque cellule est faite de phospholipides. Ces molécules sont amphiphiles : elles possèdent une tête hydrophile (polaire, qui aime l'eau) et deux queues hydrophobes (apolaires, qui la fuient). Plongées dans l'eau, elles s'organisent spontanément de façon à mettre les têtes au contact de l'eau et à mettre les queues à l'abri, entre elles.
Le résultat est une bicouche lipidique : deux rangées de phospholipides dos à dos, les queues tournées vers l'intérieur, les têtes vers les milieux aqueux intracellulaire et extracellulaire. Des protéines y sont insérées et assurent le transport sélectif des molécules, la reconnaissance et la communication. La membrane n'est donc pas un simple sac : c'est une barrière sélective.
Une longue histoire de la matière
Le métabolisme cellulaire
Une cellule ne se contente pas d'exister : elle transforme en permanence de la matière et de l'énergie. Cet ensemble de réactions chimiques constitue son métabolisme. Selon les molécules qu'elle sait fabriquer et les conditions dans lesquelles elle vit, une cellule n'aura pas le même métabolisme qu'une autre.
Les trois grandes voies à connaître
| Photosynthèse | Respiration cellulaire | Fermentation | |
|---|---|---|---|
| Bilan | 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 | C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O | C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2 (fermentation alcoolique) |
| Dioxygène | Produit | Consommé (indispensable) | Absent : voie utilisée sans dioxygène |
| Source d'énergie | Lumière | Matière organique | Matière organique |
| Lieu dans la cellule | Chloroplastes | Mitochondries | Cytoplasme |
| Énergie récupérée par molécule de glucose | — | Élevée : le glucose est totalement dégradé | Faible : la dégradation est incomplète |
La fermentation est la voie de secours des cellules privées de dioxygène. Le glucose n'y est que partiellement dégradé : il reste de l'énergie dans les déchets produits (éthanol dans la fermentation alcoolique, acide lactique dans la fermentation lactique). C'est pourquoi son rendement énergétique est bien plus faible que celui de la respiration. Attention : les deux voies produisent du dioxyde de carbone, ce qui rend le CO2 inutile pour les distinguer.
Le métabolisme d'une cellule dépend donc de deux facteurs. D'une part son patrimoine génétique, qui détermine les enzymes qu'elle est capable de fabriquer : une cellule animale ne fera jamais de photosynthèse, elle n'a ni gène ni enzyme pour cela. D'autre part les conditions du milieu : température, éclairement, présence de dioxygène ou de nutriments. Le génome fixe le possible, le milieu choisit dans ce possible.
Exercices corrigés
Que signifie le fait qu'un phospholipide soit une molécule amphiphile ?
- A.Elle est entièrement soluble dans l'eau
- B.Elle change de forme selon la température
- C.Elle est capable de se dupliquer toute seule
- D.Elle possède une partie hydrophile et une partie hydrophobeBonne réponse
Réponse : D — Elle possède une partie hydrophile et une partie hydrophobe
Amphiphile signifie littéralement « qui aime les deux ». Le phospholipide a une tête polaire hydrophile, attirée par l'eau, et deux queues apolaires hydrophobes, qui la fuient. C'est précisément cette double nature qui provoque l'auto-organisation en bicouche dans l'eau, et donc l'existence même des membranes.
Quel bilan chimique correspond à la respiration cellulaire ?
- A.6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
- B.C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2OBonne réponse
- C.C6H12O6 → 2 C2H6O + 2 CO2
- D.6 O2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 CO2
Réponse : B — C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
La respiration dégrade totalement le glucose en présence de dioxygène : le glucose et le dioxygène sont les réactifs, le dioxyde de carbone et l'eau sont les produits. La première proposition est le bilan de la photosynthèse (exactement inversé), et la troisième celui de la fermentation alcoolique. Repère toujours de quel côté de la flèche se trouve le dioxygène.
Une cellule capable de fabriquer sa matière organique à partir de dioxyde de carbone, d'eau et de lumière est dite :
- A.autotropheBonne réponse
- B.hétérotrophe
- C.procaryote
- D.amphiphile
Réponse : A — autotrophe
Autotrophe signifie « qui se nourrit par soi-même » : la cellule construit ses molécules organiques à partir de matière strictement minérale, en utilisant une source d'énergie externe, ici la lumière. Une cellule hétérotrophe, à l'inverse, doit prélever de la matière organique déjà constituée. Procaryote et amphiphile ne désignent pas du tout un mode de nutrition.
Une cellule sphérique a un diamètre de 20 µm et sa membrane une épaisseur de 10 nm. Combien de fois l'épaisseur de la membrane est-elle contenue dans le diamètre ?
- A.2 000 foisBonne réponse
- B.200 fois
- C.20 fois
- D.20 000 fois
Réponse : A — 2 000 fois
Convertis d'abord dans la même unité : le diamètre vaut 20 × 10 puissance -6 m = 2,0 × 10 puissance -5 m, et la membrane 10 × 10 puissance -9 m = 1,0 × 10 puissance -8 m. Le rapport vaut 2,0 × 10 puissance -5 divisé par 1,0 × 10 puissance -8, soit 2,0 × 10 puissance 3 = 2 000. La membrane est donc extraordinairement fine par rapport à la cellule qu'elle délimite.
Une cellule végétale chlorophyllienne placée à l'obscurité pendant plusieurs heures : que se passe-t-il ?
- A.Elle ne fait plus aucune réaction chimique
- B.Elle continue la photosynthèse grâce à ses réserves de lumière
- C.Elle se met à faire la photosynthèse en sens inverse
- D.Elle continue de respirer, mais ne fait plus de photosynthèseBonne réponse
Réponse : D — Elle continue de respirer, mais ne fait plus de photosynthèse
La photosynthèse a besoin de lumière : à l'obscurité, elle s'arrête. Mais la respiration, elle, se poursuit en permanence dans les mitochondries, de jour comme de nuit, car la cellule a constamment besoin d'énergie. C'est pourquoi une plante enfermée dans le noir consomme du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone, exactement comme un animal.
Deux cellules d'un même organisme possèdent exactement le même ADN, et pourtant leurs métabolismes diffèrent. Comment l'expliquer ?
- A.Le génome fixe l'ensemble des enzymes possibles, mais les conditions du milieu et les gènes réellement exprimés déterminent les voies effectivement utiliséesBonne réponse
- B.L'une des deux cellules aurait perdu une partie de son ADN au cours de sa différenciation, ce qui changerait forcément son métabolisme
- C.Le métabolisme dépend uniquement de la taille et de la forme de la cellule, jamais des gènes qu'elle possède ou exprime réellement
- D.Une cellule ne peut exprimer qu'un seul métabolisme possible, fixé une fois pour toutes dès la première division de l'œuf fécondé
Réponse : A — Le génome fixe l'ensemble des enzymes possibles, mais les conditions du milieu et les gènes réellement exprimés déterminent les voies effectivement utilisées
Le patrimoine génétique définit le champ des possibles : il code toutes les enzymes que l'organisme sait fabriquer. Mais chaque cellule n'exprime qu'une partie de ses gènes et se trouve dans des conditions particulières — dioxygène disponible, lumière, nutriments. Le métabolisme observé résulte donc du croisement entre le génome et le milieu. La levure l'illustre bien : même ADN, respiration ou fermentation selon la présence de dioxygène.
Qu'est-ce qui distingue une cellule procaryote d'une cellule eucaryote ?
- A.La procaryote est vivante, l'eucaryote ne l'est pas
- B.La procaryote ne contient pas d'ADN
- C.La procaryote ne possède pas de noyau : son ADN est libre dans le cytoplasmeBonne réponse
- D.La procaryote est toujours plus grande
Réponse : C — La procaryote ne possède pas de noyau : son ADN est libre dans le cytoplasme
Le critère décisif est la présence ou l'absence d'un noyau. Chez les procaryotes (les bactéries), l'ADN baigne directement dans le cytoplasme et il n'y a pas d'organites comme les mitochondries. Attention : une bactérie possède bel et bien de l'ADN, et elle est en général environ dix fois plus petite qu'une cellule eucaryote.
De quoi la membrane plasmique est-elle principalement constituée ?
- A.D'une bicouche de phospholipides dans laquelle sont insérées des protéinesBonne réponse
- B.D'une paroi rigide de cellulose
- C.D'une couche unique de molécules d'ADN
- D.D'un film d'eau retenu par la tension superficielle
Réponse : A — D'une bicouche de phospholipides dans laquelle sont insérées des protéines
La membrane plasmique est une double couche de phospholipides, dans laquelle des protéines assurent le transport sélectif et la communication. La paroi de cellulose existe bien, mais uniquement chez les végétaux, et elle vient s'ajouter à la membrane : ce n'est pas la membrane elle-même.
Quel est l'ordre de grandeur du diamètre d'une cellule eucaryote ?
- A.Quelques nanomètres
- B.Quelques dizaines de micromètresBonne réponse
- C.Quelques millimètres
- D.Quelques dixièmes de nanomètre
Réponse : B — Quelques dizaines de micromètres
Une cellule eucaryote mesure typiquement de 10 à 100 µm, soit quelques dizaines de micromètres : elle est visible au microscope optique mais pas à l'œil nu. Le nanomètre est l'échelle des molécules et de l'épaisseur des membranes, le dixième de nanomètre celle de l'atome, et le millimètre est déjà visible à l'œil nu.
Quel gaz est produit par la photosynthèse ?
- A.Le dioxyde de carbone
- B.Le diazote
- C.Le dioxygèneBonne réponse
- D.Le méthane
Réponse : C — Le dioxygène
Le bilan de la photosynthèse s'écrit 6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2 : le dioxyde de carbone est consommé et le dioxygène est produit. Inverser les deux est l'erreur la plus fréquente sur cette équation : garde en tête que ce sont les végétaux qui ont enrichi l'atmosphère terrestre en dioxygène.
Dans quel organite se déroule l'essentiel de la respiration cellulaire ?
- A.La mitochondrieBonne réponse
- B.Le chloroplaste
- C.Le noyau
- D.La vacuole
Réponse : A — La mitochondrie
La respiration cellulaire a lieu dans les mitochondries, présentes dans toutes les cellules eucaryotes, y compris celles des végétaux. Le chloroplaste est le siège de la photosynthèse et n'existe que dans les cellules chlorophylliennes. Le noyau, lui, contient l'ADN et n'intervient pas directement dans ces réactions.
Pourquoi les phospholipides s'organisent-ils spontanément en bicouche lorsqu'ils sont placés dans l'eau ?
- A.Parce que la cellule dépense de l'énergie pour les assembler dans cet ordre
- B.Parce que leurs charges électriques identiques les repoussent en deux plans
- C.Parce que l'ADN leur transmet l'information de la position à occuper
- D.Parce que les queues hydrophobes se regroupent pour échapper à l'eau, les têtes hydrophiles restant à son contactBonne réponse
Réponse : D — Parce que les queues hydrophobes se regroupent pour échapper à l'eau, les têtes hydrophiles restant à son contact
C'est un phénomène purement physico-chimique, sans intervention d'énergie cellulaire ni d'information génétique. Les queues apolaires fuient l'eau et se rassemblent au centre, tandis que les têtes polaires se placent des deux côtés, au contact des milieux aqueux. La bicouche est simplement la disposition la plus stable dans ces conditions.
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