Karamö, le prof virtuelLeçon 1 sur 23
Étude de la cellule
Je sais expliquer pourquoi la cellule est l'unité de base du vivant, décrire ses principaux éléments et calculer la taille réelle d'une cellule observée au microscope.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Énoncer la théorie cellulaire et ses grandes étapes historiques
- Utiliser le microscope optique et calculer un grossissement et une taille réelle
- Décrire l'ultrastructure d'une cellule eucaryote et le rôle de chaque organite
- Distinguer une cellule procaryote d'une cellule eucaryote
Avant de commencer : Notions de collège sur les êtres vivants, les tissus et les organes ; les unités de longueur (mm, µm, nm).
1Je découvre
Au lycée de Labé, le professeur de biologie a installé trois microscopes sur la paillasse. Sur la première lame, Aïssatou observe un fin morceau de peau d'oignon : elle voit de petites cases bien rangées, comme les briques d'un mur. Sur la deuxième, Mamadou a déposé quelques cellules raclées doucement à l'intérieur de sa joue avec une spatule propre : ce sont des formes arrondies, un peu irrégulières, avec un point sombre au milieu. Sur la troisième, une goutte d'eau de la mare voisine laisse voir de minuscules êtres qui se déplacent tout seuls.
« Un oignon, un élève et un petit être de la mare n'ont rien en commun ! » dit Mamadou. Le professeur sourit : « Regarde mieux. Dans les trois cas, tu vois des unités limitées par une enveloppe, avec un contenu et souvent un noyau. »
Aïssatou mesure sur son cahier : la cellule de la joue, sur son dessin fait au grossissement 400, mesure 2 cm. Quelle est sa vraie taille ?
Qu'est-ce qu'une cellule, de quoi est-elle faite, et comment l'étudier alors qu'elle est invisible à l'œil nu ?
2Je comprends
1. La cellule, unité du vivant : la théorie cellulaire
La découverte de la cellule est liée à l'invention du microscope. En 1665, l'Anglais Robert Hooke observe une fine tranche de liège et voit de petites cavités qu'il appelle « cellules ». Peu après, le Hollandais Antoni van Leeuwenhoek observe, avec des lentilles qu'il taille lui-même, des êtres vivants microscopiques dans l'eau.
Il faut attendre le XIXe siècle pour que les observations soient rassemblées :
- en 1838, le botaniste Schleiden affirme que toutes les plantes sont faites de cellules ;
- en 1839, le zoologiste Schwann étend cette idée aux animaux ;
- en 1855, le médecin Virchow ajoute que toute cellule provient d'une cellule préexistante.
On aboutit à la théorie cellulaire, qui tient en trois affirmations :
- Tout être vivant est formé d'une ou de plusieurs cellules.
- La cellule est la plus petite unité structurale et fonctionnelle capable de vivre : elle se nourrit, respire, produit des déchets et se reproduit.
- Toute cellule naît d'une autre cellule, par division.
Un être formé d'une seule cellule est unicellulaire (amibe, paramécie, bactérie, levure) ; un être formé de nombreuses cellules est pluricellulaire (manguier, bœuf N'Dama, être humain). Chez les pluricellulaires, les cellules semblables s'associent en tissus, les tissus en organes, les organes en appareils (ou systèmes).
- 1Molécules : eau, glucides, lipides, protides, acides nucléiques
- 2Organites : noyau, mitochondries, ribosomes, membranes
- 3Cellule : plus petite unité vivante
- 4Tissu : ensemble de cellules semblables ayant la même fonction
- 5Organe : ensemble de tissus (estomac, feuille)
- 6Appareil puis organisme : ensemble d'organes qui coopèrent
2. Les outils pour étudier la cellule
Les cellules sont minuscules. On les mesure en micromètres (µm) et leurs éléments internes en nanomètres (nm) :
1 mm = 1 000 µm et 1 µm = 1 000 nm.
La plupart des cellules animales et végétales mesurent de 10 à 100 µm ; une bactérie mesure quelques micromètres seulement.
Le pouvoir séparateur (ou limite de résolution) est la plus petite distance entre deux points que l'on peut encore voir séparés :
| Instrument | Pouvoir séparateur (valeur arrondie) | Ce qu'on voit |
|---|---|---|
| Œil nu | 0,1 mm | un grain de sable fin, un grain de fonio |
| Microscope optique | 0,2 µm | la cellule, son noyau, les chloroplastes |
| Microscope électronique | de l'ordre du nanomètre | les organites en détail, les membranes |
Le microscope optique utilise la lumière. Il comprend un oculaire (près de l'œil) et un objectif (près de la lame). Son grossissement se calcule ainsi :
G = Gobjectif × Goculaire
Pour observer une cellule, on prépare une fine préparation entre lame et lamelle, souvent colorée : le bleu de méthylène ou le vert de méthyle acétique colorent bien le noyau, l'eau iodée colore le noyau en jaune et l'amidon en bleu.
Le microscope électronique utilise un faisceau d'électrons au lieu de la lumière. Il montre l'ultrastructure de la cellule, c'est-à-dire les détails invisibles au microscope optique.
Méthode
Pour calculer la taille réelle d'un objet observé au microscope :
- Je calcule le grossissement : G = grossissement de l'objectif × grossissement de l'oculaire.
- Je mesure la taille de l'image (ou du dessin) avec une règle.
- Je convertis cette taille en micromètres (1 mm = 1 000 µm ; 1 cm = 10 000 µm).
- Taille réelle = taille de l'image ÷ grossissement.
- Je vérifie que le résultat est vraisemblable (une cellule mesure en général 10 à 100 µm).
Exemple
Revenons au dessin d'Aïssatou : la cellule de joue mesure 2 cm sur le dessin, au grossissement 400.
Conversion : 2 cm = 20 mm = 20 000 µm.
Taille réelle = 20 000 ÷ 400 = 50 µm.
Ce résultat est vraisemblable pour une cellule animale.
Exemple
Une cellule d'épiderme d'oignon mesure réellement 250 µm de long. On l'observe avec un objectif 10 et un oculaire 10. Quelle sera la longueur de son image ?
Grossissement : G = 10 × 10 = 100.
Longueur de l'image = 250 × 100 = 25 000 µm = 25 mm = 2,5 cm.
3. L'organisation d'une cellule eucaryote
Toute cellule possède trois éléments fondamentaux : une membrane plasmique, un cytoplasme et un matériel génétique (ADN). Chez les eucaryotes (animaux, végétaux, champignons, amibes), l'ADN est enfermé dans un noyau.
La membrane plasmique est une mince enveloppe (environ 7,5 nm d'épaisseur) formée d'une double couche de lipides dans laquelle sont insérées des protéines. Elle sépare la cellule du milieu extérieur et contrôle les échanges : elle laisse passer certaines substances et en retient d'autres (on dit qu'elle est à perméabilité sélective).
Le cytoplasme est le contenu de la cellule entre la membrane et le noyau. Il comprend un liquide, le hyaloplasme (ou cytosol), riche en eau, en ions et en molécules organiques, et des organites :
| Organite | Description | Rôle |
|---|---|---|
| Mitochondrie | petit bâtonnet à double membrane, la membrane interne forme des replis (crêtes) | respiration cellulaire : produit l'énergie utilisable (ATP) |
| Ribosome | très petit grain, sans membrane | fabrication des protéines |
| Réticulum endoplasmique | réseau de sacs et de canaux ; « granuleux » s'il porte des ribosomes | synthèse et transport des protéines et des lipides |
| Appareil de Golgi | pile de saccules aplatis | transforme, emballe et exporte les produits (sécrétion) |
| Lysosome | petite vésicule remplie d'enzymes | digestion à l'intérieur de la cellule |
| Vacuole | poche limitée par une membrane | réserve d'eau et de substances |
| Chloroplaste (végétaux) | organite vert à double membrane contenant de la chlorophylle | photosynthèse |
| Centrosome (animaux) | deux petits cylindres, les centrioles | organise la division cellulaire |
Le noyau est entouré d'une enveloppe nucléaire double, percée de pores. Il contient la chromatine (ADN associé à des protéines), qui forme les chromosomes au moment de la division, et un ou plusieurs nucléoles. Le noyau contient l'information génétique : il commande le fonctionnement de la cellule. Une expérience célèbre le montre : une amibe coupée en deux donne une moitié avec noyau, qui survit et se reproduit, et une moitié sans noyau, qui finit par mourir.
- Membrane plasmique
- Hyaloplasme
- Mitochondrie
- Ribosome
- Appareil de Golgi
- Noyau
- limite la cellule et contrôle les échanges
- milieu où se déroulent de nombreuses réactions
- produit l'énergie par la respiration
- fabrique les protéines
- exporte les produits fabriqués
- contient l'ADN et commande la cellule
4. Deux grands types de cellules
Toutes les cellules ne sont pas construites de la même manière.
| Caractère | Cellule procaryote | Cellule eucaryote |
|---|---|---|
| Exemples | bactéries (bacille du choléra, bactéries du yaourt) | cellules d'animaux, de végétaux, de champignons, amibes |
| Noyau | absent : l'ADN est libre dans le cytoplasme | présent, entouré d'une enveloppe |
| Organites à membrane | absents | nombreux (mitochondries, Golgi…) |
| Ribosomes | présents | présents |
| Taille | petite (quelques µm) | plus grande (10 à 100 µm) |
« Procaryote » signifie « avant le noyau » et « eucaryote » signifie « vrai noyau ».
5. La cellule, unité fonctionnelle
La cellule n'est pas une boîte vide : elle échange sans cesse avec son milieu. Elle absorbe de l'eau, des ions, du dioxygène et des nutriments, elle transforme ces substances (synthèse de protéines, respiration), elle rejette du dioxyde de carbone et des déchets, et elle se divise. Dans un organisme pluricellulaire, les cellules se spécialisent : la cellule musculaire se contracte, le neurone transmet des messages, le globule rouge transporte le dioxygène, la cellule chlorophyllienne de la feuille de manioc fabrique de la matière organique. C'est le thème de ce chapitre et des suivants.
3Je retiens
Je retiens
Théorie cellulaire : tout être vivant est formé de cellules ; la cellule est l'unité de structure et de fonction du vivant ; toute cellule provient d'une cellule.
Unités : 1 mm = 1 000 µm ; 1 µm = 1 000 nm. Une cellule mesure en général 10 à 100 µm.
Grossissement du microscope : G = objectif × oculaire. Taille réelle = taille de l'image ÷ G.
Toute cellule : membrane plasmique + cytoplasme (hyaloplasme et organites) + matériel génétique.
Organites : mitochondrie (respiration, énergie), ribosome (protéines), Golgi (sécrétion), lysosome (digestion), chloroplaste (photosynthèse).
Le noyau contient l'ADN et commande la cellule.
Procaryote (bactérie) : pas de noyau ni d'organites à membrane. Eucaryote : vrai noyau et organites.
4Erreurs fréquentes
- Multiplier au lieu de diviser : la taille réelle = taille de l'image ÷ grossissement. Une cellule de 20 000 µm serait visible à l'œil nu !
- Oublier de convertir : on ne peut pas diviser des centimètres et donner le résultat en micromètres sans conversion (1 cm = 10 000 µm).
- Dire que les bactéries n'ont pas d'ADN : elles en ont, mais il n'est pas enfermé dans un noyau.
- Confondre membrane plasmique et paroi : toutes les cellules ont une membrane plasmique ; la paroi rigide n'existe que chez les végétaux, les champignons et les bactéries.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Énonce les trois affirmations de la théorie cellulaire.
b) Qu'est-ce que le pouvoir séparateur d'un instrument ? Donne celui de l'œil et du microscope optique.
c) Donne le rôle des mitochondries, des ribosomes et du noyau.
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a) Tout être vivant est formé d'une ou de plusieurs cellules ; la cellule est la plus petite unité de structure et de fonctionnement capable de vivre ; toute cellule provient d'une cellule préexistante.
b) C'est la plus petite distance entre deux points que l'instrument permet de voir séparés. Œil : environ 0,1 mm ; microscope optique : environ 0,2 µm.
c) Mitochondries : respiration cellulaire et production d'énergie. Ribosomes : synthèse des protéines. Noyau : contient l'information génétique (ADN) et commande le fonctionnement de la cellule.
2Exercice 2
Convertis :
a) 0,05 mm en µm ; b) 3 µm en nm ; c) 2,5 cm en µm ; d) 7 500 nm en µm.
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a) 0,05 mm = 0,05 × 1 000 = 50 µm.
b) 3 µm = 3 × 1 000 = 3 000 nm.
c) 2,5 cm = 25 mm = 25 × 1 000 = 25 000 µm.
d) 7 500 nm = 7 500 ÷ 1 000 = 7,5 µm.
3Exercice 3
Un élève de Kindia observe une paramécie avec un objectif 40 et un oculaire 10. Sur son dessin, la paramécie mesure 8 cm de long.
a) Calcule le grossissement.
b) Calcule la longueur réelle de la paramécie en micromètres.
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a) G = 40 × 10 = 400.
b) 8 cm = 80 mm = 80 000 µm. Longueur réelle = 80 000 ÷ 400 = 200 µm. (C'est bien l'ordre de grandeur d'une paramécie, un unicellulaire assez grand.)
4Exercice 4
Recopie et complète le tableau par « présent » ou « absent ».
| Élément | Bactérie | Cellule du foie |
|---|---|---|
| Membrane plasmique | ||
| Noyau | ||
| Ribosomes | ||
| Mitochondries | ||
| ADN |
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| Élément | Bactérie | Cellule du foie |
|---|---|---|
| Membrane plasmique | présent | présent |
| Noyau | absent | présent |
| Ribosomes | présent | présent |
| Mitochondries | absent | présent |
| ADN | présent | présent |
5Exercice 5
(Type examen) On coupe une amibe en deux fragments : le fragment A contient le noyau, le fragment B n'en contient pas. Quelques jours plus tard, le fragment A s'est nourri, a grandi et s'est divisé ; le fragment B a cessé de se nourrir puis est mort.
a) Quel est le seul facteur qui différencie les deux fragments ?
b) Que peux-tu conclure sur le rôle du noyau ?
c) On greffe un noyau dans le fragment B peu après la section : il survit. Cette expérience confirme-t-elle ta conclusion ? Explique.
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a) La présence ou l'absence du noyau : les deux fragments viennent de la même amibe et sont placés dans les mêmes conditions.
b) Le noyau est indispensable à la vie de la cellule : il commande sa nutrition, sa croissance et sa division.
c) Oui. En remettant un noyau, on rétablit la survie du fragment B : c'est bien la présence du noyau, et non la taille du fragment, qui permet à la cellule de vivre. Le noyau contient l'information génétique qui dirige l'activité de la cellule.
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6Je vérifie
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