Ressources · 2ⁿᵈᵉ · SVT (2nde)
Cellules spécialisées : l’organisme pluricellulaire
Unicellulaires et pluricellulaires, tissus et organes ; échelles du vivant ; microscopes et taille réelle ; membrane, organites, eucaryotes et procaryotes ; cellules spécialisées et expression d’une partie des gènes ; matrice extracellulaire.
À propos de cette page
Unicellulaires et pluricellulaires : de l’organisme à la cellule
Rappel (6e). Tous les êtres vivants sont faits d’une ou de plusieurs cellules ; un organisme contient des organes, eux-mêmes faits de cellules (chapitre « Cellule : unité du vivant, microscope et organisation »). En 2de, on ajoute deux niveaux, le tissu et l’organite, et on explique pourquoi les cellules d’un même organisme sont si différentes.
Chez un organisme pluricellulaire, les organes sont formés de cellules spécialisées, regroupées en tissus, et chaque type de cellule assure une fonction particulière.
• Un tissu est un ensemble de cellules semblables, spécialisées dans une même fonction, reliées par une matrice extracellulaire.
• Un organe associe plusieurs tissus qui coopèrent (cœur, estomac, feuille, racine).
• Un appareil regroupe plusieurs organes qui concourent à une grande fonction (appareil digestif).
Les niveaux d’organisation s’emboîtent : organisme › appareil › organe › tissu › cellule › organite › molécule. Chaque niveau est fait d’éléments du niveau inférieur.
Le corps d’un adulte compte environ 3,0 × 10¹³ cellules, d’environ 200 types différents ; les globules rouges en représentent à eux seuls environ 84 %, soit environ 2,5 × 10¹³ (estimation publiée en 2016).
Un organe, plusieurs tissus
L’estomac est un organe : il associe un tissu qui fabrique le suc digestif, des couches de tissu musculaire qui brassent les aliments, du tissu conjonctif, des vaisseaux sanguins et des nerfs.
La feuille est un organe végétal : un épiderme qui la protège, un tissu chlorophyllien qui réalise la photosynthèse, des vaisseaux qui transportent la sève.
Une diatomée est une algue faite d’une seule cellule, entourée d’une enveloppe de silice : grâce à ses chloroplastes, elle fabrique sa matière organique, et elle se multiplie en se divisant. Une seule cellule fait tout : c’est un organisme unicellulaire.
Réflexe — pour situer un élément, je me demande de quoi il est fait : de plusieurs tissus (organe), de cellules semblables (tissu), d’organites (cellule), de molécules (organite).
Attention — organe ≠ tissu. Le cœur n’est pas un tissu : il associe du tissu musculaire cardiaque, du tissu conjonctif, des vaisseaux et des nerfs. Et un unicellulaire n’a ni tissu ni organe : sa cellule unique est à la fois une cellule et un organisme entier.
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Les échelles du vivant et leurs ordres de grandeur
• organe : du centimètre au mètre ; tissu : du dixième de millimètre au millimètre ;
• cellule : de 10 à 100 µm pour la plupart des cellules eucaryotes, quelques µm pour une bactérie ;
• organite : de 1 à 10 µm (mitochondrie ≈ 1 µm, chloroplaste ≈ 5 µm, noyau ≈ 5 à 10 µm) ;
• molécule : quelques nanomètres (une protéine, l’épaisseur d’une membrane de 7 nm).
Unités : 1 m = 1 000 mm ; 1 mm = 1 000 µm ; 1 µm = 1 000 nm. Pour passer à l’unité plus petite, on multiplie par 1 000 ; à l’unité plus grande, on divise par 1 000.
La limite de résolution est la plus petite distance qui sépare deux points encore vus distincts : œil ≈ 0,1 mm ; microscope optique ≈ 0,2 µm ; microscope électronique ≈ 1 nm ou moins. Un objet plus petit que la limite d’un instrument y est invisible, ou ses détails y sont confondus.
À l’échelle moléculaire, une cellule contient surtout de l’eau (environ 70 % de sa masse) et des molécules organiques : glucides, lipides, protéines, acides nucléiques comme l’ADN.
Les échelles du vivant
| Niveau | Chez l’être humain | Chez une plante | Taille | Pour l’observer |
|---|---|---|---|---|
| Organe | cœur | feuille | cm | œil nu |
| Tissu | tissu musculaire cardiaque | tissu chlorophyllien | mm | loupe, microscope optique |
| Cellule | cellule musculaire cardiaque | cellule chlorophyllienne | 10 à 100 µm | microscope optique |
| Organite | mitochondrie | chloroplaste | 1 à 10 µm | optique (contour), électronique (détails) |
| Molécule | actine, ADN | cellulose, chlorophylle | nm | microscope électronique |
Chaque graduation multiplie la longueur par 10. En rouge : la plus petite distance que chaque instrument permet de distinguer (limite de résolution).
Un globule rouge de 7,5 µm mesure 7,5 × 1 000 = 7 500 nm, ou 7,5 ÷ 1 000 = 0,007 5 mm : bien moins que 0,1 mm, il est invisible à l’œil nu.
Une cellule de 30 µm et une mitochondrie de 1 µm : 30 ÷ 1 = 30, la cellule est trente fois plus longue que l’organite.
Deux membranes voisines séparées de 0,05 µm, soit 50 nm : c’est moins que 0,2 µm, elles sont confondues au microscope optique et séparées au microscope électronique.
Réflexe — pour choisir un instrument, je mets la taille de l’objet (ou du détail) et la limite de résolution dans la même unité, puis je prends le premier instrument dont la limite est plus petite que l’objet.
Attention — grossir n’est pas résoudre. Agrandir davantage une image de microscope optique ne fait apparaître aucun détail de moins de 0,2 µm : c’est la limite de résolution qui compte, pas le grossissement. Et on convertit avant de comparer : 0,2 µm = 200 nm.
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Observer et mesurer : microscopes et taille réelle
Microscope optique : grossissement = grossissement de l’oculaire × grossissement de l’objectif.
Microscope électronique : un faisceau d’électrons remplace la lumière. Au microscope électronique à transmission, on observe une coupe très fine (moins de 0,1 µm d’épaisseur) : on voit l’intérieur des cellules et le détail des organites. Au microscope électronique à balayage, on voit la surface des objets, en relief. Les images sont en noir et blanc : les couleurs parfois présentes ont été ajoutées après coup.
Taille réelle :
• avec un grossissement G : taille réelle = taille mesurée ÷ G ;
• avec une barre d’échelle : taille réelle = (mesure de l’objet ÷ mesure de la barre) × valeur de la barre ;
• grossissement d’une image = taille sur l’image ÷ taille réelle, dans la même unité.
Méthode : calculer une taille réelle
- Mesurer l’objet sur l’image, en mm.
- Convertir la mesure dans l’unité du résultat (µm pour une cellule ou un organite, nm pour une molécule).
- Diviser par le grossissement, ou utiliser la barre d’échelle.
- Vérifier la vraisemblance avec les ordres de grandeur.
Oculaire ×15 et objectif ×60 : 15 × 60 = 900, le microscope grossit 900 fois.
À ce grossissement, une cellule mesure 36 mm sur la photo. 36 mm = 36 000 µm, et 36 000 ÷ 900 = 40 µm : c’est bien la taille d’une cellule eucaryote.
Sur une micrographie électronique, une barre de 5 µm mesure 12 mm et une mitochondrie 6 mm : (6 ÷ 12) × 5 = 2,5 µm. Le grossissement de l’image vaut 12 000 µm ÷ 5 µm = ×2 400.
Réflexe — je convertis d’abord la mesure en µm, je divise ensuite par le grossissement, et je compare le résultat aux ordres de grandeur : une cellule de 0,05 µm ou de 3 m signale une erreur.
Attention — on divise par le grossissement, on ne multiplie pas : l’objet est plus petit que son image. Et on n’oublie pas la conversion : 30 ÷ 600 = 0,05 donne 0,05 mm, soit 50 µm, pas 0,05 µm.
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La cellule : un plan commun, des organites
Rappel (6e). Membrane, cytoplasme et noyau ; paroi, vacuole et chloroplastes des cellules végétales (chapitre « Cellule : unité du vivant, microscope et organisation »). Le microscope électronique permet d’aller plus loin.
La membrane plasmique est une double couche de lipides dans laquelle sont insérées des protéines. Épaisse d’environ 7 nm, elle sépare le cytoplasme du milieu extérieur et contrôle les échanges.
Les organites sont des compartiments du cytoplasme, délimités par des membranes, chacun avec une fonction : noyau (il contient l’ADN), mitochondries (dans presque toutes les cellules eucaryotes, animales comme végétales), chloroplastes (seulement dans les cellules chlorophylliennes, siège de la photosynthèse), grande vacuole des cellules végétales.
Eucaryote : cellule à noyau et à organites (animaux, végétaux, champignons, nombreux unicellulaires). Procaryote : cellule sans noyau ni organite délimité par une membrane, à l’ADN libre dans le cytoplasme (bactéries).
Dans une même plante, les cellules chlorophylliennes sont autotrophes (elles fabriquent leur matière organique à partir de matière minérale, grâce à la lumière) ; les cellules sans chloroplaste, comme celles des racines, sont hétérotrophes : elles utilisent les sucres venus des feuilles (chapitre « Métabolisme : autotrophie, hétérotrophie et enzymes »).
1 membrane plasmique · 2 cytoplasme · 3 noyau (avec l’ADN) · 4 mitochondrie · 5 paroi · 6 vacuole · 7 chloroplaste · 8 ADN libre dans le cytoplasme. Schémas simplifiés, pas à la même échelle : la bactérie, qui mesure quelques micromètres, est très agrandie.
| Structure | Cellule animale | Cellule végétale | Bactérie |
|---|---|---|---|
| Membrane plasmique, cytoplasme, ADN | oui | oui | oui |
| Noyau | oui | oui | non (ADN libre dans le cytoplasme) |
| Mitochondries | oui | oui | non |
| Chloroplastes | non | dans les parties vertes | non |
| Paroi | non | oui (cellulose) | oui (d’une autre composition) |
| Grande vacuole | non | oui | non |
Une cellule de la paroi de l’intestin observée au microscope électronique montre un noyau et de nombreuses mitochondries, sans paroi ni chloroplaste : c’est une cellule animale eucaryote.
Des cellules sphériques d’environ 1 µm, groupées en grappe, sans noyau ni mitochondrie : ce sont des bactéries, cellules procaryotes.
Placée dans une solution très salée, une cellule d’épiderme de feuille perd de l’eau : son cytoplasme se rétracte et la membrane se décolle de la paroi (plasmolyse). Membrane et paroi sont donc deux structures distinctes.
Réflexe — pour classer une cellule, je cherche d’abord le noyau (eucaryote ou procaryote) ; chez une eucaryote, je cherche paroi de cellulose, grande vacuole et chloroplastes (végétale), sinon elle est animale. Je cite toujours au moins deux critères.
Attention — paroi ≠ membrane : la paroi s’ajoute à l’extérieur de la membrane, elle ne la remplace pas, et les bactéries en ont une aussi. Pas de noyau ne veut pas dire pas d’ADN. Les mitochondries existent aussi chez les végétaux, et les chloroplastes manquent dans bien des cellules végétales : celles des racines, à l’abri de la lumière, mais aussi des cellules éclairées, comme celles des pétales blancs.
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Cellules spécialisées : un même génome, une expression différente
Une expression partielle. Une cellule spécialisée n’exprime qu’une partie de ses gènes : elle fabrique les protéines qui correspondent à sa fonction, d’où sa forme, ses organites et son activité. C’est la différenciation cellulaire, qui se déroule au cours du développement.
Les cellules souches ne sont pas encore spécialisées : elles se divisent et peuvent donner plusieurs types de cellules (embryon, moelle osseuse).
Deux exceptions : le globule rouge mature perd son noyau, donc son ADN ; les gamètes ne contiennent que la moitié de l’information génétique.
En 2012, le prix Nobel de médecine récompense John Gurdon et Shinya Yamanaka pour avoir montré que des cellules spécialisées peuvent être reprogrammées en cellules capables de donner tous les types de cellules : elles avaient gardé toute leur information génétique.
Des cellules spécialisées
| Cellule | Particularité | Fonction |
|---|---|---|
| cellule musculaire | protéines contractiles (actine, myosine), nombreuses mitochondries | contraction |
| cellule caliciforme de l’intestin | remplie de vésicules de mucus | protection de la paroi intestinale |
| cellule chlorophyllienne | nombreux chloroplastes | photosynthèse |
| cellule du bois (xylème) | morte, vidée, paroi épaissie de lignine | conduction de la sève brute |
Le gène de l’insuline est présent dans toutes les cellules du corps, mais seules les cellules β des îlots de Langerhans du pancréas l’expriment et fabriquent de l’insuline.
Une cellule de l’épiderme et une cellule musculaire de la même personne ont les mêmes gènes ; la première exprime celui de la kératine, protéine qui protège la peau, la seconde ceux de l’actine et de la myosine en grande quantité.
Une cellule de feuille et une cellule de racine d’un même arbre ont le même ADN ; seule la première fabrique des chloroplastes : la cellule de racine en possède les gènes, mais ne les exprime pas.
Réflexe — devant deux cellules différentes d’un même organisme, je dis : même information génétique (même cellule-œuf), gènes exprimés différents, donc protéines, forme et fonction différentes.
Attention — « cellules différentes = gènes différents » est faux : les cellules d’un individu ont les mêmes gènes, elles n’expriment pas les mêmes. Une spécialisation ne vient pas d’une perte de gènes ; le globule rouge mature, qui perd tout son ADN, est une exception.
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La matrice extracellulaire : la cohésion des tissus
Chez les végétaux, elle forme la paroi qui entoure chaque cellule : des fibres de cellulose lui donnent forme et rigidité, des pectines soudent les cellules voisines. Dans le bois, la paroi s’enrichit en lignine, qui la rend dure.
Chez les animaux, la matrice est riche en protéines fibreuses, surtout le collagène. Elle est abondante dans les tissus conjonctifs (derme, cartilage, tendons), où les cellules sont dispersées dans beaucoup de matrice. Dans l’os, elle est minéralisée : le phosphate de calcium la rend dure, le collagène la rend résistante et un peu souple.
Dans un tendon, les cellules sont peu nombreuses et séparées par des fibres de collagène alignées : c’est la matrice qui résiste à la traction du muscle.
Quand une plaie cicatrise, les cellules du derme fabriquent de nouvelles fibres de collagène, qui relient à nouveau le tissu.
Dans la chair d’un fruit, les cellules restent collées les unes aux autres par les pectines de leurs parois.
Réflexe — pour une structure située hors des cellules qui les relie, je pense « matrice » : paroi (cellulose, pectines) chez les végétaux, fibres de collagène chez les animaux.
Attention — la matrice n’est pas un organite : elle est fabriquée par les cellules mais se trouve à l’extérieur, entre elles. Et la paroi végétale fait partie de la matrice : elle est extracellulaire, à l’extérieur de la membrane.
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles sont traitées ailleurs ou ont été vues avant.
- Microscope optique, préparation, dessin d’observation, constituants de la cellule animale et végétale, unicellulaires et pluricellulaires : vus en 6e, chapitre « Cellule : unité du vivant, microscope et organisation ».
- La structure de l’ADN (double hélice, nucléotides A, T, C, G, complémentarité, gène = séquence) : chapitre « ADN : le support de l’information génétique ».
- Le métabolisme des cellules (photosynthèse, respiration, fermentation, enzymes) et les tests qui identifient les molécules d’un échantillon (eau iodée, liqueur de Fehling, biuret) : chapitre « Métabolisme : autotrophie, hétérotrophie et enzymes ».
- La communication entre cellules par des hormones et leurs cellules cibles : chapitre « Hormones et procréation : cycles, contraception, PMA ».
- Se verra en 1re (spécialité SVT) : la mitose et la réplication de l’ADN, l’expression des gènes (de l’ADN à la protéine).
- Un unicellulaire assure toutes ses fonctions avec une seule cellule ; chez un pluricellulaire, les organes associent des tissus, ensembles de cellules spécialisées semblables : organisme › appareil › organe › tissu › cellule › organite › molécule.
- Ordres de grandeur : cellule 10 à 100 µm, bactérie quelques µm, organite 1 à 10 µm, molécule quelques nm ; 1 mm = 1 000 µm, 1 µm = 1 000 nm. Limites de résolution : œil 0,1 mm, microscope optique 0,2 µm, microscope électronique 1 nm.
- Taille réelle = taille mesurée ÷ grossissement, ou (mesure de l’objet ÷ mesure de la barre) × valeur de la barre, après conversion ; le microscope électronique à transmission montre l’intérieur des cellules, celui à balayage leur surface.
- Toute cellule a une membrane plasmique (bicouche de lipides et protéines), un cytoplasme et de l’ADN ; les eucaryotes ont un noyau et des organites (mitochondries, chloroplastes), les procaryotes (bactéries) n’en ont pas.
- Toutes les cellules d’un organisme viennent de la cellule-œuf et ont au départ la même information génétique ; une cellule spécialisée n’exprime qu’une partie de ses gènes (différenciation).
- La matrice extracellulaire, fabriquée par les cellules et située entre elles, assure leur adhérence : paroi de cellulose et pectines chez les végétaux, fibres de collagène chez les animaux.
Questions fréquentes
Quelle différence entre un tissu et un organe ?
Un tissu est un ensemble de cellules semblables, spécialisées dans une même fonction ; un organe associe plusieurs tissus qui coopèrent. Le cœur est un organe : il réunit du tissu musculaire, du tissu conjonctif, des vaisseaux et des nerfs.
Comment calculer la taille réelle d’une cellule vue au microscope ?
On mesure la cellule sur l’image en mm, on convertit en µm (× 1 000), puis on divise par le grossissement. Avec une barre d’échelle, on calcule (mesure de l’objet ÷ mesure de la barre) × valeur de la barre. Le résultat doit être vraisemblable : 10 à 100 µm pour une cellule eucaryote.
Quand faut-il un microscope électronique plutôt qu’un microscope optique ?
Quand l’objet ou le détail à voir est plus petit que 0,2 µm, la limite de résolution du microscope optique : membrane plasmique, replis d’une mitochondrie, molécules. Le microscope électronique distingue des détails d’environ 1 nm.
Pourquoi les cellules d’un même organisme sont-elles différentes alors qu’elles ont le même ADN ?
Toutes viennent de la cellule-œuf et ont au départ la même information génétique, mais chaque cellule spécialisée n’exprime qu’une partie de ses gènes : elle fabrique ses propres protéines, d’où sa forme et sa fonction. C’est la différenciation cellulaire.
Qu’est-ce que la matrice extracellulaire ?
C’est l’ensemble des molécules fabriquées par les cellules et situées entre elles, qui assurent leur adhérence : chez les végétaux, la paroi de cellulose et de pectines ; chez les animaux, une matrice riche en fibres de collagène, minéralisée dans l’os.
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