L’ORGANISATION DE LA CELLULE AU MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE OU ULTRASTRUCTURE CELLULAIRE

I-HISTOIRE

Le microscope électronique est créé sur le principe du microscope optique. Sa mise au point par MAX KNOLL  et ERNST RUSKA en 1931 est l’aboutissement de longues années de recherches initiées au milieu du XIX siècle.

II-PRINCIPE DU MICROSCOPE

Le microscope électronique (microscope électronique à transmission) est proche dans son principe au microscope optique. Il consiste à placer un échantillon suffisamment mince sous un faisceau d’électrons et d’utiliser un système de lentille magnétique pour projeter l’image de l’échantillon sur un écran fluorescent qui transforme l’image électronique en image optique.

L’émission des électrons est produite par chauffage d’un filament de tungstène ou d’un cristal d’hexaborure de lanthane (LaB6). Un vide poussé est effectué dans le tube du microscope. La tension accélératrice des électrons est de l’ordre de 200 kV à 1000 kV.

Les lentilles magnétiques permettent de focaliser le faisceau d’électrons sur l’écran et le grossissement entre 2 000 et 500 000 fois de l’objet.

Les observations visuelles sont toujours relayées par une prise de photos qui se fait par impression des plaques photographiques.

III-PRÉPARATION MICROSCOPIQUE

1-Fixation

Il faut utiliser des fixateurs sans action coagulant sur les protéines, pour cela on faut utilise le glutaraldéhyde ou le tétroxyde d’osmium à 1% avec un pH légèrement acide.

2-Coupes

Elles doivent être fines de l’ordre de 400 à 600 Å (Angstrom).

3-Coloration

Ce ne sont pas véritablement des colorants, car ne colorent pas la cellule. Ce sont des sels de métaux lourds qui se fixent sur un constituant de la cellule, ce qui contribue à arrêter les électrons et à renforcer le contraste de l’image obtenue sur l’écran.

IV-ULTRA STRUCTURE CELLULAIRE

L’observation de la cellule montre qu’elle est constituée principalement : de la membrane plasmique, du cytoplasme, du noyau et de la paroi pectocellulosique.

1-La membrane plasmique

Des cellules animales fixées au tétroxyde d’osmium ou au permanganate de sodium, puis incluses dans une résine époxy, sont observées au microscope électronique. On obtient la figure suivante :

La membrane plasmique apparaît avec deux feuillets sombres de 20 Å d’épaisseur, séparés par un feuillet clair de 35 Å d’épaisseur. Des analyses chimiques ont montré que les feuillets sombres sont de nature protéique, alors que le feuillet clair est de nature phospholipidique (La membrane plasmique contient environ 60% de protéines et 40% de lipide). Chaque phospholipide possède deux pôles : un pôle hydrophobe et un pôle hydrophile.

Ces données ont permis aux chercheurs, Danielli et Dawson ; Singer et Nicholson, de proposer des modèles d’ultrastructures cellulaires de la membrane plasmique.

  • Modèle de Danielli et Dawson

Ce modèle membranaire laisse croire que l’eau et les substances dissoutes ne pourraient franchir la membrane plasmique. En plus, le microscope électronique ne donne pas la même image de la membrane plasmique après fixation au tétroxyde d’osmium. Ce modèle est donc insuffisant.

  • Le modèle de Singer et Nicholson

Il montre que l’eau et les substances dissoutes peuvent traverser la membrane par ses protéines qui sont mobiles d’où l’appellation de modèle ou structure en mosaïque fluide. Cette structure confère à la membrane une grande souplesse fonctionnelle. Donc la membrane est vivante et en perpétuel remaniement.

Rôles :

En tant que frontière entre la cellule et le milieu qui l’entour, la membrane plasmique joue essentiellement trois rôles :

  • Reconnaissance de signaux et molécules du milieu extracellulaire grâce à ses récepteurs extracellulaires.
  • Permet aux cytoplasmes de deux cellules voisines d’être en continuité grâce à plusieurs types de contacts (jonctions cellulaires).
  • Echanges cellulaires en sélectionnant et en orientant les molécules.

NB : Les membranes des cellules nerveuses (neurones) sont capables de propager des potentiels d’action.

2-Le cytoplasme

C’est le contenu cellulaire. Il comprend le hyaloplasme et le morphoplasme qui regroupe tous les organites cytoplasmiques.

2-1-Hyaloplasme

C’est une sorte de gelée homogène plus ou moins fluide, constituée d’eau (80%), de sels minéraux, d’acides gras, de gaz respiratoires (O2 et CO2) et d’inclusions divers (glycogène dans les cellules animales, amidon dans les cellules végétales). Il y a aussi des micro-fibrilles qui assurent une certaine élasticité et une certaine cohésion du contenu cellulaire.

2-2-Morphoplasme

Il renferme tous les organites cellulaires.

2-2-1-Réticulum endoplasmique

C’est un ensemble de saccules et de canaux limités par des membranes et communiquant entre eux. Ils proviennent de certaines invaginations de la membrane cytoplasmique ou de la membrane nucléaire. Il existe deux types de réticulum endoplasmiques :

  • L’ergastoplasme ou réticulum endoplasmique granuleux ou rugueux (REG)

Sa face externe porte des granulations, les ribosome ou grains de Palade.

  • Fonction

Il a pour rôle :

  • De synthèse de protéine ;
  • De stockage de substances au niveau des saccules ;

De transite de substance à travers le cytoplasme

   

  • Le réticulum endoplasmique lisse

Il a le même aspect que le réticulum endoplasmique granuleux, mais est dépourvu de granulations.

  • Rôle

Ils ont pour rôle de :

  • Synthèse de lipide par le réticulum endoplasmique lisse.
  • Excitateur par libération d’ions calciums indispensables à la contraction musculaire.
  • Transport et accumulation de substances captées (endocytose) ou élaborées par la cellule (exocytose).

2-2-2. Appareil de Golgi

Il est constitué d’un empilement de saccules appelés dictyosomes, disposés en forme de croissant lunaire et émettant des vésicules appelées vésicules Golgiennes.

On le rencontre dans toutes les cellules exceptées les bactéries.

  • Rôle

Il a pour rôle de :

  • Stocker les protéines synthétisées au niveau du REG. Ces protéines se retrouvent dans les vésicules de sécrétion ou grains de zymogènes qui migrent dans le hyaloplasme et déversent leur contenu par exocytose dans le sang (cas des hormones et anticorps) ou dans les canaux sécréteurs (cas des enzymes digestives).
  • Synthétiser les polysaccharides et la cellulose nécessaires à la formation de la paroi pectocellulosique.

     

2-2-3. Lysosome

Certaines vésicules de sécrétion de l’appareil de Golgi restent dans la cellule et contiennent des hydrolases (protéines), ce sont des lysosomes.

  • Rôles

Leurs fonctions est de digérer les organites cellulaires vieillissantes ou les particules étrangères capturées par endocytose.

2-2-4-Mitochondrie

Elles sont présentent chez toutes les cellules sauf les bactéries anaérobie. Ce sont des organites en forme de bâtonnet d’environ 1ųm de long avec des extrémités arrondies. L’ensemble des mitochondries forme le chondriosome.

  • Rôles

Elles sont le siège de la respiration cellulaire conduisant à la synthèse d’ATP.

2-2-5-Plastes

Les plastes ne se trouvent que chez les cellules végétales. Les plus connus sont les chloroplastes qui renferment de la chlorophylle, pigment intervenant dans le processus de la photosynthèse.

2-2-6-Centrosome

Egalement appelé diplosome, le centrosome n’existe que chez la cellule animale excepté certaines cellules végétales telles que les anthérozoïdes ou les oosphères. Il se situe à proximité du noyau entouré par les dictyosomes de l’appareil de Golgi. Il est constitué de deux sous-unités appelées centrioles disposés perpendiculairement. Chaque centriole est constitué de neuf triplets de microtubules.

  • Rôles

Il présente plusieurs rôles :

  • Formation des cils, flagelles et microfilaments.
  • Se transforme en aster pour former le fuseau de division lors de la mitose.

2-2-7-Vacuole

Très importantes dans la cellule végétale (où elles peuvent être colorées), très petites ou absentes dans la cellule animale. Elle est un sac intracellulaire entouré d’une simple membrane, le tonoplaste.

  • Rôles

Elle joue un rôle dans :

  • L’accumulation de diverses substances ;
  • La régulation de l’eau pour les cellules végétales ;
  • La croissance cellulaire en allongeant la cellule par absorption d’eau.

3-Le noyau

Excepté les hématies adultes des mammifères, toutes les cellules possèdent au moins un noyau. Le noyau est un organite arrondi constitué d’une enveloppe nucléaire, de nucléoles et d’un nucléoplasme.

3-1-L’Enveloppe nucléaire

L’enveloppe nucléaire est constituée de deux membranes : la membrane externe et la membrane interne. Elles proviennent du réticulum endoplasmique et présentent des pores nucléaires à travers lesquels se font les échanges entre le nucléoplasme et le cytoplasme.

3-2-Le nucléoplasme

Il est constitué d’eau, de sels minéraux et de substances dissoutes dont la chromatine qui est constituée d’ADN et de protéines appelées histones.

3-3-Le nucléole

Il est constitué d’ARN et de protéines et assure la synthèse des grains de ribosome.

NB : Le noyau permet de classer les êtres vivants en deux groupes : les procaryotes dont le noyau n’est pas clairement délimité et les eucaryotes dont le noyau est délimité par une enveloppe nucléaire.

  • Rôles

Expérience de mérotomie :

Elle consiste à diviser par section mécanique une cellule en deux fragments dont l’un est nucléé et l’autre anucléé.

Résultat :

Le fragment nucléé survit et régénère la partie manquante, alors que la partie anucléée dégénère progressivement et finit par mourir. Si quelques instant après on apporte un noyau d’une cellule de la même espèce à la partie anucléée elle revit tandis que la cellule donneuse dégénère et meurt.

Conclusion :

La présence du noyau est indispensable à la survie de la cellule.

Expérience sur les acétabulaires (algues unicellulaires) :

Chez deux espèces d’acétabulaire à chapeaux différents. Une portion de l’algue A est greffée sur la base le l’algue B et vise versa. Les résultats sont dans le schéma ci-dessous.

Conclusion :

Le noyau possède plusieurs fonctions :

  • Il intervient dans la fabrication de matières ;
  • Il permet la transmission des caractères héréditaire à travers des générations, c’est le rôle génétique ;
  • Il permet la reproduction cellulaire.

4-La paroi pectocellulosique

La paroi pectocellulosique (PPC) ou paroi squelettique ou paroi végétale n’existe que chez la cellule végétale. Elle est formée de deux couches de cellulose séparées pour uns couche de pectine, d’où son nom de paroi pectocellulosique. Elle présente par endroit de fin trous, les plasmodesmes.

  • Rôles:

Sa rigidité lui confère plusieurs rôles :

  • Donner à la cellule sa forme ;
  • Protection contre les fortes pressions dues à une entrée excessive d’eau dans la cellule ;
  • A travers ses plasmodesmes elle permet au cytoplasme des cellules adjacentes d’être en continuité.
V-COMPARAISON CELLULE ANIMALE-CELLULE VÉGÉTALE AU MICROSCOPE

L’ultrastructure de la cellule montre qu’elle est généralement la même à quelques exceptions près. En effet le centrosome n’est présent que chez la cellule animale, alors que la PPC et les chloroplastes ne se trouvent que chez la cellule végétale.

VI-CARACTÉRISTIQUES,AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS

Le microscope électronique présente plusieurs caractéristiques :

  • Le grossissement varie entre 1500 à 200000 fois et exceptionnellement 500000 fois ;
  • Le pouvoir séparateur est d’environ 10 Å ;
  • La préparation est traversée par des électrons ;
  • Les champs magnétiques constituent les lentilles ;S
  • L’image est reçue sur un écran fluorescent ;
  • Les préparations sont coupées à l’ultramicrotome et doivent avoir des épaisseurs moyennes de 0,05 μm.

Le microscope a des avantages, car il peut :

  • Atteindre des structures fines de la cellule (ultrastructure) ;
  • Observer la structure de grosses molécules.

Cependant, il a des inconvénients :

  • La cellule est morte ;
  • On n’a pas une vue d’ensemble ;
  • Ne donne pas la couleur exacte l’objet.
VII-CAS PARTICULIER DES BACTÉRIES ET DES VIRUS

1-Les bactéries

Bien que leur nom dérive du grec baktêria, « bâton », les bactéries ont des formes variables : bâtonnet, sphérique, ou encore spirille (spiral). Leur taille varie entre 0,5 et 100 µm. On trouve des bactéries dans tous les milieux : l’air, les sols, l’eau, la glace, les sources d’eau chaude…

Le cytoplasme des bactéries ne contient de noyau distinct, car il n’a pas d’enveloppe nucléaire délimitant le nucléoplasme, donc ce sont des protozoaires. Ils ne contiennent pas également d’organites, mais ont un élément particulier, le plasmide. Le cytoplasme est entouré d’une membrane plasmique. Autour de cette dernière se trouve une paroi peptidique, plus ou moins épaisse. L’épaisseur de la paroi permet de classer les bactéries en gram + (paroi épaisse) et gram – (paroi fine). Une troisième couche protège encore la cellule bactérienne : la capsule.

De nombreuses bactéries possèdent, des excroissances diverses telles que des pili (cils) et un ou plusieurs flagelles servant à la locomotion de la cellule.

Les bactéries ne causent pas que des maladies, il y a des bactéries utiles pour les êtres vivants. Par exemple, elles entrent en symbiose avec des plantes pour fixer l’azote atmosphérique, avec des êtres vivants (insectes xylophages, par exemple) elles permettent la digestion de la cellulose…

La bactériologie est le domaine de la microbiologie qui s’intéresse aux bactéries.

2-Cas des virus

La taille et l’aspect des virus sont très variés, mais ils ont pour caractéristique commune d’avoir des dimensions extrêmement réduites, car ne sont observables qu’au microscope électronique, alors que les micro-organismes de plus grande taille, telles les bactéries, sont visibles au microscope optique. De nombreux virus ont une forme pseudosphérique très simple sans aucune symétrie, dont le diamètre varie entre 60 et 300 nm. Les plus petits, dont la forme est icosaédrique (polygones à vingt côtés), mesurent entre 18 et 20 nm de large.

Les virus sont constitués essentiellement d’un acide nucléique entouré d’une coque protectrice appelée capside, constituée de protéines seules ou combinées à des glucides. Ce sont des parasites intracellulaires obligatoires, souvent agents de maladies, bénignes ou graves. Actuellement, plusieurs milliers de virus ont été recensés.

La virologie est le domaine de la microbiologie qui s’intéresse aux virus.

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