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Contenu principal

Cellules procaryotes

Caractéristiques universelles des cellules. Caractéristiques des cellules procaryotes. Rapport de surface/volume

Introduction

Prenez un moment et regardez-vous. Combien d'organismes voyez-vous ? Vous pourriez d'abord penser qu'il y en a qu'un : vous-même. Cependant, si vous regardez de plus près, à la surface de votre peau ou à l'intérieur de votre tube digestif, vous verriez qu'il y a en fait beaucoup d'organismes qui y vivent. C'est vrai - vous abritez environ cent mille milliards de cellules bactériennes !
Cela veut dire que le corps est un écosystème. Cela signifie aussi que vous êtes en réalité constitué des deux principaux types cellulaires : les procaryotes et les eucaryotes.
Toutes les cellules entrent dans une de ces deux grandes catégories. Seuls les organismes unicellulaires appartenant aux domaines Bactéries et Archées sont classés parmi les procaryotes (pro veut dire avant et karyon veut dire noyau). Les animaux, les plantes, les champignons et les protistes sont tous des eucaryotes (eu veut dire vrai) c'est-à-dire constitués de cellules eucaryotes. Toutefois, comme dans le cas de l'humain, il y a quelques organismes procaryotes qui vivent autour.

Constituants des cellules procaryotes

Il existe des constituants clefs dont une cellule a besoin pour exister, qu'elle soit eucaryote ou procaryote. Toutes les cellules ont en commun quatre constituants clefs :
  1. La membrane plasmique est un revêtement extérieur qui sépare l'intérieur de la cellule de l'environnement qui l'entoure.
  2. Le cytoplasme à l'intérieur de la cellule est composé de cytosol, semblable à de la gelée, dans lequel on trouve les structures cellulaires en suspension. Chez les eucaryotes, le cytoplasme désigne spécifiquement la région en dehors du noyau, mais à l'intérieur de la membrane plasmique.
  3. L'ADN est le matériel génétique de la cellule.
  4. Les ribosomes sont les machines moléculaires responsables de la synthèse des protéines.
Malgré ces similitudes, les procaryotes et les eucaryotes diffèrent sur un certain nombre de points importants. Un procaryote est un organisme simple et unicellulaire qui ne possède pas de noyau ni d'organite membranaire. Nous parlerons davantage du noyau et des organites dans le prochain article sur les cellules eucaryotes, mais ce qu'il faut garder à l'esprit pour l'instant, c'est que l'intérieur des cellules procaryotes n'est pas divisé en compartiments par des parois membranaires. Il s'agit plutôt d'un seul espace ouvert.
La majorité de l'start text, A, D, N, end text procaryote se trouve dans une zone centrale de la cellule appelée le nucléoïde, généralement sous la forme d'une boucle qu'on appelle chromosome circulaire. Dans le schéma ci-dessous, qui représente la découpe d'une bactérie en forme de bâtonnet, on peut voir le nucléoïde et quelques autres caractéristiques fréquemment observées chez les procaryotes.
Schéma d'une cellule procaryote type, avec ses différentes parties légendées.
_Crédit image: modifiée à partir de "Prokaryotic cells: Figure 1" par OpenStax College, Biology, CC BY 3.0_
Il existe une grande variété de bactéries, et elles n'ont donc pas toutes les caractéristiques présentées sur ce schéma.
Toutefois, la plupart des bactéries sont entourées d'une paroi cellulaire rigide constituée de peptidoglycane, un polymère composé de glucides et de petites protéines. Cette paroi cellulaire forme une couche de protection supplémentaire, permet de maintenir la forme de la cellule et évite la déshydratation. Beaucoup de bactéries présentent, en plus, une couche superficielle de glucides qu'on appelle la capsule. Cette capsule est collante et permet à la cellule de s'attacher aux surfaces de son environnement.
Certaines bactéries ont également des structures spécialisées, que l'on trouve à la surface de la cellule. Cela les aide à se déplacer, à se coller aux surfaces, ou même à échanger du matériel génétique avec d'autres bactéries. Par exemple, les flagelles sont des structures en forme de fouet qui agissent comme des moteurs rotatifs pour aider les bactéries à se déplacer.
Les fimbriae sont des structures qui ressemblent à des poils, présentes en quantité, et qui sont utilisées pour permettre aux cellules de s'attacher à d'autres surfaces. Les bactéries peuvent également avoir des structures qui ressemblent à une tige, que l'on appelle pili et qui existent sous plusieurs variétés. Par exemple, certains types de pili permettent aux bactéries de transférer de l' start text, A, D, N, end text moléculaire vers d'autres bactéries, tandis que d'autres sont impliqués dans la locomotion bactérienne et aident donc les bactéries à se déplacer.
Les archées peuvent avoir aussi la plupart des caractéristiques de surface de ces cellules, mais généralement leur version est différente de celles des bactéries. Par exemple, les archées ont aussi une paroi cellulaire mais elle n’est pas faite de peptidoglycane, même si elle contient aussi des glucides et des protéines.

Taille des cellules

La taille typique des cellules procaryotes varie entre 0,1 et 5 micromètres (μm) de diamètre. Elles sont considérablement plus petites que les cellules eucaryotes, qui présentent généralement un diamètre allant de 10 à 100 μm.
Dans l'image ci-dessous, on peut voir la taille d'une cellule procaryote (bactérienne), eucaryote (végétale et animale) ainsi que d'autres molécules et organismes sur une échelle logarithmique. Chaque unité d'augmentation sur l'échelle logarithmique représente une augmentation de x10 la quantité mesurée - nous parlons donc de grandes différences de taille ici !
Graphique montrant la taille relative des éléments, dans l’ordre : des atomes, aux protéines, aux virus, aux bactéries, aux cellules animales, aux oeufs de poule, en finissant par les humains.
_Crédit image : "Prokaryotic cells: FIgure 2" par OpenStax College, Biology, CC BY 3.0_
À quelques exceptions près (voir les algues unicellulaires du genre Caulerpa ) les cellules restent assez petites, peu importe qu’elles soient procaryotes ou eucaryotes. Pourquoi est-ce le cas ? Parce que quand les cellules deviennent plus grosses, il est plus difficile pour elles d’échanger suffisamment de nutriments et de déchets avec leur environnement. Pour comprendre comment cela fonctionne, il faut examiner le rapport surface/volume d'une cellule.
Dans un souci de simplification, on considère une cellule qui a la forme d'un cube. D'ailleurs, il existe des cellules de plantes qui ont la forme d'un cube. Si la longueur de côté du cube est l, la surface du cube sera 6, l, squared, et le volume sera égal à l, cubed. Ce qui veut dire que lorsque l augmente, la surface croît très vite puisqu'elle augmente avec le carré de l. Cependant le volume augmentera encore plus vite puisqu'il varie en fonction du cube de l.
Ainsi, lorsqu'une cellule grossit, son rapport surface/volume chute. Par exemple, la cellule de gauche en forme de cube a un volume de 1 mmcubed et une surface de 6 mmsquared avec un rapport surface/volume de six pour un, alors que la cellule de droite a un volume de 8 mmcubed et une surface de 24 mmsquared avec un rapport de surface/volume de trois pour un.
Représentation de deux cubes de tailles différentes. Celui de gauche a des côtés de 1mm, alors que celui de droite a des côtés de 2 mm.
_Crédit image: modifié à partir de "Prokaryotic cells: FIgure 3" par OpenStax College, Biology, CC BY 3.0_
Le rapport surface/volume d'une cellule est important parce que la membrane plasmique est l'interface unique de la cellule avec son environnement. Si la cellule a besoin de prélever des nutriments, elle doit le faire à travers la membrane et si elle doit éliminer des déchets, la membrane est encore l'unique voie d'élimination.
Chaque morceau de membrane ne peut échanger qu'une quantité limitée de substance donnée dans un temps donné (par exemple, en raison du nombre limité de canaux). Si la cellule grossit à l'excès, sa membrane n'aura pas une capacité d'échange suffisante (qui varie en fonction de la surface, c'est-à-dire du carré de sa longueur) pour supporter l'échange requis pour cette activité métabolique accrue (qui varie en fonction du volume, c'est-à-dire du cube de sa longueur).
Le problème du rapport surface/volume n'est qu'un exemple des difficultés rencontrées quand la taille de la cellule augmente. Plus les cellules grandissent, plus cela prend du temps de transporter des substances à l'intérieur. L'ensemble de ces considérations limitent la croissance de la taille des cellules, les cellules eucaryotes sont capables de dépasser les cellules procaryotes en taille grâce à leurs caractéristiques structurelles et métaboliques —qu'on explorera dans une prochaine partie.
Certaines cellules utilisent des astuces géométriques pour contourner le problème du rapport de surface à volume. Par exemple, certaines sont longues et fines, ou ont de nombreuses protubérances sur leur surface - des caractéristiques qui permettent d'augmenter la surface par rapport au volumesquared.