L’organisme pluricellulaire, un ensemble de cellules spécialisées
Où se trouve l’ADN dans les cellules ?
L’ADN est une très grande molécule (macromolécule) formée d’une double hélice. L’ADN est à la base de la structure et du fonctionnement du vivant. Chaque hélice est composée par une séquence précise de nucléotides choisis parmi quatre : A, C, G, T. Chaque hélice ou brin d’ADN est complémentaire de l’autre : A correspond à T et C correspond à G et vice versa. La séquence des nucléotides détermine par morceaux, les gènes qui codent la formation de protéines1 qui sont particulières et propres à chaque gènes. Les protéines déterminent les fonctions et les structures des cellules et des organismes.
Des noms que vous pouvez connaître, mais ce n’est pas obligatoire : ADN (Acide désoxyribonucléique). Les quatre nucléotides qui caractérisent l’ADN sont : l’Adénine (A), la Thymine (T), la Cytosine (C) et la Guanine (G).
L’ADN est visible dans les cellules au moment des divisions car c’est un des constituant essentiel des chromosomes. Les cellules en fonctionnement ont leur ADN, soit directement dans le cytoplasme, soit dans le noyau (voir paragraphe suivant). Lorsqu’il est dans le noyau il en forme la coloration : on parle de chromatine.
Unicellulaires multifonction ou pluricellulaires aux cellules spécialisées dans une fonction particulière
Chez les organismes unicellulaires, toutes les fonctions sont assurées par une seule cellule. Les cellules bactériennes (procaryotes) n’ont pas de noyau (ADN directement dans le cytoplasme), alors que les cellules animales ou végétales en possèdent un (eucaryotes2)… et parfois plusieurs. Dans le cas des Eucaryotes l’ADN se trouve dans le noyau, décondensé3 sous forme de chromatine. Les procaryotes et les cellules végétales présentent une ou plusieurs parois autour de la membrane cytoplasmique.
Chez les organismes pluricellulaires, les organes sont constitués de cellules spécialisées formant des tissus, et assurant des fonctions particulières. Les tissus sont regroupés en organes et les organes en systèmes qui constituent tout l’organisme.
Les deux images suivantes montrent la diversité possible des cellules spécialisées d’abord chez un végétal, le Houx, ensuite chez un animal, l’Homme et plus exactement la peau humaine. Elles ne sont pas à apprendre, mais elles viennent en exemple et illustration de la diversité des cellules spécialisés chez les pluricellulaires.
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Toutes les cellules d’un organisme sont issues d’une cellule unique à l’origine de celui-ci4. Il s’agit de la cellule-œuf (ou zygote). Les cellules d’un organisme possèdent toutes initialement la même information génétique organisée en gènes constitués d’ADN. Cependant, les cellules spécialisées n’expriment qu’une partie de l’ADN.
Rappelons que chaque individu est issu, chez les animaux, de la rencontre d’un spermatozoïde et d’un ovule (fécondation) qui forme une cellule unique appelée cellule-œuf (encore appelée zygote) et qui se divise pour former la multitude de cellules de l’organisme. Chez des végétaux supérieurs comme les Plantes à fleur c’est un grain de pollen qui féconde les ovules cachés dans les fleurs. Les cellules se spécialisent selon les tissus et ont leur fonction et leur structure propre.
Les cellules fonctionnent par leur métabolisme
Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques d’une cellule ou d’un organisme. On distingue des réactions qui construisent des molécules (anabolisme : A+B → AB) et des réactions qui les détruisent (catabolisme : AB → A+B). Ce sont des protéines particulières, les enzymes qui favorisent la réalisation de toute réaction chimique chez les êtres vivants. On peut établir une relation entre les gènes et les enzymes, car ces dernières, comme toutes protéines sont codées par la molécule d’ADN.
Le métabolisme dépend de l’équipement spécialisé de chaque cellule. Ainsi les végétaux verts contiennent des chloroplastes lieu de la photosynthèse : synthèse de matière du vivant grâce à de l’énergie lumineuse : gaz carbonique + eau donne par exemple du sucre (glucose) et la plante rejette l’oxygène qui lui est inutile ici.
La réaction de la photosynthèse mérite d’être précisée ici : eau (H2O) + dioxyde de carbone (CO2), donne en présence d’énergie lumineuse captée par la chlorophylle, du sucre (Glucose : C6H1206) et du dioxygène (02)5. Cette réaction est un cas qualifié d’anabolisme, puisque molécule plus grande est construite en résultat. Cette réaction nécessite de l’énergie lumineuse (soleil).
Photosythèse : CO2 + H2O → C6H12O6 + O2
La respiration est la réaction inverse et libère de l’énergie disponible pour le fonctiionnement des cellules (toutes les cellules qu’elles soient animales ou végétales réalisent la respiration qui nécessite de l’oxygène et produit de l’énergie).
Certains êtres vivants, comme les Levures de bière (un champignon microscopique) sont capables d’obtenir de l’énergie en absence d’oxygène. Ils réalisent des fermentations (alcoolique, lactique, etc, selon le produit restant en terminaison). Ici, les levures produisent de l’alcool et du gaz (de la bière !), mais elles sont aussi utilisées pour faire « lever » la pâte à pain (la pâte gonfle (gaz) et l’alcool s’évapore à la cuisson) : Glucose (C6H12O6) → Alcool + CO2 [fermentation alcoolique]. Nos muscles sont capables d’obtenir de l’énergie lorsqu’ils ne reçoivent pas d’oxygène (fermentation lactiique). L’acide lactique produit est responsable des courbatures des muscles fatigués ou dans le cas d’une échauffement insuffisant.
En guise de conclusion
Les unicellulaires assurent toutes les fonctions. Les pluricellulaires ont des cellules spécialisées dans des fonctions particulières. Le génome est le même pour toutes les cellules d’un organisme. Une partie seulement des gènes intervient pour une cellule donnée ce qui lui donne sa spécificité. Par exemple une cellule musculaire peut se contracter par l’expression d’une partie spéciale de son ADN. Le métabolisme assure le fonctionnement des cellules sous la direction des gènes répartis dans les chromosomes contenant notre ADN.
Pour aller plus loin…
Quelques informations supplémentaires sur le métabolisme
Ainsi les végétaux chlorophylliens ou végétaux verts ont de nombreuses cellules qui possèdent des chloroplastes (organites contenant de la chlorophylle), notamment au niveau des feuilles. Les chloroplastes réalisent la photosynthèse qui est une réaction de l’anabolisme en présence de lumière (Soleil) qui en fourni l’énergie : CO2 + H2O → C6H12O6 + O2 ; alors que du dioxyde de carbone est consommé, du glucose (C6H12O6) et du dioxygène sont produits. Ces végétaux qui produisent leur propre matière organique à partir de matière minérale sont dits autotrophes. Ils stockent leurs sucres sous forme d’amidon ou (C6H10O5)n qui est une macromolécule souvent accumulée dans des amyloplastes. L’amidon est un polymère de glucose.
Que ce soit les cellules animales, végétales ou celles des champignons (Fonge), toutes possèdent des mitochondries. Ce sont des organites incolores qui réalisent la respiration cellulaire. La respiration est une voie métabolique du catabolisme : C6H12O6 + O2 → H2O + CO2. Du dioxygène est nécessaire à la transformation de glucose en eau et en dioxyde de carbone. Ceci produit de l’énergie cellulaire utile au fonctionnement des cellules et en particulier des mouvements chez les animaux.
A la différence des végétaux chlorophylliens, les animaux ou les champignons doivent consommer leur matière organique dans l’environnement afin de se développer ou se multiplier. De tels êtres vivants sont dits hétérotrophes. Ils dépendent d’autres êtres vivants et doivent se nourrir.
Diversité des métabolismes
Le métabolisme correspond à l’ensemble des réactions chimiques des êtres vivants. On distingue l’anabolisme où les réactions conduisent à la formation de nouvelles molécules complexes à partir de molécules simples et le catabolisme où le principe est inverse.
Le Soleil est l’étoile du système solaire dans lequel se trouve notre planète, la Terre. Il émet d’intenses rayonnements et en particulier de la lumière. La lumière est une source d’énergie dont une partie infime, mais nécessaire à la vie est récupérée dans le cadre de la photosynthèse chez les plantes chlorophylliennes. La photosynthèse est une conversion biologique de l’énergie solaire en énergie de liaison chimique stockée dans la matière organique.
La photosynthèse est la synthèse en présence de lumière (énergie lumineuse) de matière organique réalisée par les plantes chlorophylliennes.
La chlorophylle est une molécule verte présente dans les cellules chez les Procaryotes ou les chloroplastes, chez les Eucaryotes. Elle converti l’énergie lumineuse en énergie chimique stockée dans les liaisons des molécules organiques fabriquées. Sa réaction est la suivante :
CO2 + H2O → Glucose (C6H12O6) + O2
La respiration se traduit par la consommation de dioxygène et le rejet de dioxyde de carbone par les cellules. Ce phénomène est réalisé directement dans le cytoplasme chez les Procaryotes ou dans les mitochondries chez les Eucaryotes. Elle se traduit par la mise à disposition d’énergie de liaison chimique directement utilisable par les cellules pour leur fonctionnement. Toute l’énergie chimique présente dans les liaisons de la molécule de Glucose est utilisée.
Glucose (C6H12O6) + O2 → CO2 + H2O
La fermentation est un phénomène qui a la même fonction que la respiration : fournir de l’énergie à la cellule. Toutefois le glucose n’est pas totalement transformé car celle-ci se réalise en absence de dioxygène. On obtient par exemple de l’alcool dans le cas de la fermentation alcoolique. La molécule d’Alcool contient encore des liaisons chimiques initialement présente dans le Glucose.
Toute l’énergie disponible n’est pas libérée (il reste des liaisons dans la molécule d’Alcool par exemple) et malgré ce faible rendement, certains êtres vivants peuvent vivre en absence de dioxygène, tout en maintenant une activité de vie. Leur mode de vie sera toutefois rallenti et peu consommateur en énergie.
Glucose (C6H12O6) → Alcool + CO2 [Exemple de la fermentation alcoolique]
La matière organique fossile qui s’est mal décomposée peut s’accumuler et former des gisements de pétrole ou de charbon avec le temps. Ces roches (liquide ou solide) sont d’importants combustibles utilisés par l’Homme. Leur combustion produit l’énergie nécessaire au fonctionnement de machines ou de véhicules par exemple. Il s’agit dans tous les cas d’énergie solaire qui avait été stockée sous forme d’énergie chimique de liaison qui est alors récupérée de manière différée dans le temps.
••• Résumé en conclusion •••
| Les unicellulaires assurent toutes les fonctions. Les pluricellulaires ont des cellules spécialisées dans des fonctions particulières. Le génome est le même pour toutes les cellules d’un organisme. Une partie seulement des gènes intervient pour une cellule donnée ce qui lui donne sa spécificité. Par exemple une cellule musculaire peut se contracter par l’expression d’une partie spéciale de son ADN. Il existe deux types de métabolisme : l’autotrophie qui fait intervenir la photosynthèse et l’hétérotrophie où seule la respiration intervient. Il existe d’autres types de métabolismes (chimiosynthèse, fermentation), comme chez certaine Bactéries ou quelques Champignons. |
Notes
- Rappel : les trois types de molécules fondamentales de la matière vivante sont les Glucides, les Lipides et les Protéines (ou Protides), ce qui correspond respectivement aux sucres comme le Glucose ou l’Amidon, aux graisses et à des molécules constitutives ou fonctionnelles du vivant (les protéines forment l’essentiel de la viande, de la chair du poisson, mais on y trouve aussi les enzymes qui participent au fonctionnement des réactions chimiques du vivant…). La digestion des protéines produit des acides aminés. ↩︎
- L’ensemble des Eucaryoytes concernent les animaux, les végétaux ou les champignons, des êtres vivants qui se caractérisent par la présence d’un noyau dans lequel se trouve l’ADN. Dans ce cas l’ADN est généralement visible de façon diffuse : on parle de chromatine. ↩︎
- Pour rappel, chez les Eucaryotes, l’ADN se condence sous forme de chromosomes au moment des divisions cellules ce qui facilite le déplacement efficace des molécules d’ADN qui se trouvent partagé dans le nouvelles cellules issues de la division étudiée. ↩︎
- Cette cellule est directement issue de la fécondation. Par exemple chez les Animaux, elle est le résultat de l’entrée du noyau d’un spermatozoïde dans un ovule. Le résultats et la première cellule de tout individu dans cet exemple est appelée cellule-œuf ou zygote. ↩︎
- Photosynthèse : synthèse de matière organique (ici du sucre) en présence d’énergie lumineuse (Soleil) captée par la molécule de chlrorophylle : H20 + C02 –––> C6H1206 + 02 ↩︎
