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

Six problèmes à partir de documents : l’algue Chlamydomonas, une mitochondrie au microscope électronique, des cellules aux formes adaptées à leur fonction, un tableau de gènes et de protéines dans quatre cellules, une transplantation de noyau inspirée de John Gurdon, et la matrice extracellulaire face à la pectinase et au scorbut.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Je lis chaque document : l’organisme, la cellule ou le tissu étudié, les mesures et leurs unités, le témoin.
Je calcule en convertissant d’abord dans la même unité : taille réelle, grossissement, pourcentage, rapport.
Je compare chaque lot au témoin : « on constate que… ».
J’explique avec le cours : niveau d’organisation, type de cellule, expression d’une partie des gènes, matrice extracellulaire.
Je conclus en répondant à la question posée, sans dépasser ce que montrent les documents.

Problème 1 · Une algue faite d’une seule cellule★★★Facile

Document 1 — Chlamydomonas. Cette algue verte d’eau douce est formée d’une seule cellule d’environ 10 µm. On y observe un noyau, des mitochondries, un chloroplaste unique en forme de coupe et deux flagelles qui la font nager. Elle fabrique sa matière organique par photosynthèse et se multiplie en se divisant.

Document 2 — Sa paroi. La cellule est entourée d’une paroi, mais celle-ci n’est pas faite de cellulose : elle est formée surtout de protéines associées à des glucides.

1. Chlamydomonas mesure environ 10 µm, soit mm.
10 ÷ 1 000 = 0,01 mm : bien moins que 0,1 mm, invisible à l’œil nu.
2. Elle possède un noyau : c’est une cellule .
Un noyau : cellule eucaryote. Unicellulaire ne veut pas dire procaryote.
3. Elle se déplace en nageant grâce à ses deux .
Ses deux flagelles : une seule cellule se déplace, se nourrit et se reproduit.
4. Sans tissu ni organe, toutes ses fonctions sont assurées par sa unique.
Sa cellule unique : c’est un organisme unicellulaire.
5. Sa paroi n’est pas en cellulose : la présence d’une paroi ne suffit donc pas à reconnaître une cellule .
Les bactéries et certaines algues ont une paroi d’une autre composition : la paroi seule ne prouve pas une cellule végétale.

Problème 2 · Une mitochondrie au microscope électronique★★★Facile

Document 1 — Une micrographie. Une micrographie électronique montre une mitochondrie d’une cellule de muscle cardiaque. Sur l’image, une barre d’échelle représentant 0,5 µm mesure 14 mm. La mitochondrie y mesure 37 mm de long et 11 mm de large.

Document 2 — Des replis internes. L’intérieur de la mitochondrie porte des replis épais de quelques dizaines de nanomètres.

1. Longueur réelle de la mitochondrie : µm (au centième).
(37 ÷ 14) × 0,5 ≈ 1,32 µm.
2. Largeur réelle : µm (au centième).
(11 ÷ 14) × 0,5 ≈ 0,39 µm.
3. Grossissement de l’image : ×
14 mm = 14 000 µm ; 14 000 ÷ 0,5 = 28 000.
4. Sa largeur ne vaut qu’environ fois la limite de résolution du microscope optique (à l’unité).
0,393 ÷ 0,2 ≈ 1,96, soit environ 2 : au microscope optique, la mitochondrie n’est qu’un petit bâtonnet sans détail.
5. Les replis internes, de quelques dizaines de nm, ne se voient qu’au microscope .
Quelques dizaines de nm, c’est bien moins que 200 nm : seul le microscope électronique les distingue.

Problème 3 · Des formes adaptées à des fonctions★★★Moyen

Document — Quatre cellules spécialisées.

Cellule	Caractéristiques observées	Fonction
Globule rouge (hématie) humain	disque creusé sur ses deux faces (biconcave) de 7,5 µm de diamètre, sans noyau, rempli d’hémoglobine	transport du dioxygène dans le sang
Neurone moteur	prolongement (axone) pouvant dépasser 1 m de long	transmission de messages de la moelle épinière aux muscles
Spermatozoïde	flagelle, nombreuses mitochondries à la base du flagelle, noyau très compact	déplacement jusqu’à l’ovocyte, apport de l’ADN paternel
Cellule de poil absorbant (racine)	long prolongement fin, paroi mince	absorption de l’eau et des sels minéraux du sol

1. Sans noyau, le globule rouge mature ne contient plus d’ : il ne peut ni se diviser ni renouveler ses protéines.
Plus d’ADN : en perdant son noyau, il a perdu son information génétique. Les globules rouges sont renouvelés à partir des cellules souches de la moelle osseuse.
2. Sa forme biconcave lui donne une grande d’échange par rapport à son volume.
Une grande surface d’échange pour le dioxygène.
3. Les mitochondries à la base du flagelle fournissent l’ de son battement.
L’énergie du battement.
4. Le long prolongement fin du poil absorbant multiplie ses contacts avec les particules du .
Du sol : plus de contacts, plus d’eau et de sels minéraux absorbés.
5. On admet que le corps cellulaire d’un neurone moteur mesure 20 µm : un axone de 1 m est fois plus long.
1 m = 1 000 000 µm ; 1 000 000 ÷ 20 = 50 000.

Problème 4 · Même génome, protéines différentes★★★Moyen

Document — Gènes et protéines dans quatre types de cellules d’un même être humain (+ : présent ; − : absent).

	Cellule β du pancréas	Précurseur du globule rouge	Cellule de l’épiderme	Neurone
Gène de l’insuline	+	+	+	+
Insuline	+	−	−	−
Gène de la globine	+	+	+	+
Globine (hémoglobine)	−	+	−	−
Gène de la kératine de la peau	+	+	+	+
Kératine de la peau	−	−	+	−
Gène de l’actine	+	+	+	+
Actine	+	+	+	+

1. Le gène de l’insuline est exprimé dans type(s) de cellules du tableau.
Dans 1 seul, la cellule β du pancréas, alors qu’il est présent dans les quatre : même cellule-œuf, même génome.
2. Le neurone possède le gène de l’insuline sans fabriquer d’insuline : la spécialisation ne vient donc pas d’une de gènes.
Pas d’une perte de gènes : le gène est là, mais il n’est pas exprimé.
3. La cellule de l’épiderme exprime le gène de la , qui protège la peau.
De la kératine.
4. Le précurseur du globule rouge exprime des quatre gènes étudiés.
Globine et actine : 2 gènes sur 4.
5. Le seul gène exprimé par les quatre cellules est celui de l’, protéine utile à toutes.
L’actine, utile à la forme et aux mouvements internes de toute cellule.

Problème 5 · Le noyau d’une cellule spécialisée peut-il diriger le développement ?★★★Difficile

Document 1 — Le protocole (expérience simplifiée, inspirée des travaux de John Gurdon publiés en 1962 ; valeurs imaginées). Chez un amphibien, on détruit le noyau d’ovocytes par un rayonnement ultraviolet ; ces ovocytes viennent d’une femelle de souche pigmentée. On y injecte le noyau d’une cellule prélevée chez un têtard de souche albinos : soit une cellule d’embryon jeune (non spécialisée), soit une cellule de l’intestin (spécialisée).

Document 2 — Les résultats.

Lot	Noyau injecté	Ovocytes traités	Têtards obtenus	Pigmentation
1	aucun	100	0	—
2	cellule d’embryon jeune	130	57	albinos
3	cellule d’intestin	240	36	albinos

1. Le lot 1, sans noyau injecté, sert de .
De témoin : sans noyau, aucun ovocyte irradié ne se développe ; le cytoplasme seul ne suffit pas.
2. Réussite du lot 2 : % (au dixième).
57 ÷ 130 × 100 ≈ 43,8 %.
3. Réussite du lot 3 : % (au dixième).
36 ÷ 240 × 100 = 15,0 %.
4. Les têtards sont albinos comme la souche qui a fourni le noyau : leur développement a été dirigé par le noyau .
Par le noyau injecté, et non par un noyau d’ovocyte qui aurait résisté aux ultraviolets.
5. Si les cellules de l’intestin avaient perdu des gènes indispensables, la réussite du lot 3 serait de %.
0 % : aucun têtard complet ne pourrait se former. Les 15 % montrent que le noyau intestinal a gardé toute l’information génétique ; le taux plus faible traduit seulement la difficulté à relancer un noyau spécialisé. Gurdon a reçu pour ces travaux le prix Nobel de médecine 2012.

Problème 6 · La matrice extracellulaire, un ciment entre les cellules★★★Difficile

Document 1 — Des enzymes sur un tissu végétal. Des fragments de feuille sont placés 3 h dans différentes solutions (un même milieu de base, sucré, empêche les cellules d’éclater), puis observés au microscope.

Solution	État du fragment	Forme des cellules
milieu de base seul	fragment cohérent	polyédriques, jointives
milieu + pectinase (enzyme qui digère les pectines)	cellules séparées les unes des autres	polyédriques, paroi présente
milieu + pectinase + cellulase (enzyme qui digère la cellulose)	cellules séparées	sphériques, sans paroi

Document 2 — Le collagène. Le collagène est la protéine la plus abondante du corps humain ; il forme des fibres résistantes dans la matrice du derme, des tendons, des os et de la paroi des vaisseaux sanguins. Sa fabrication par les cellules nécessite de la vitamine C. Le scorbut, maladie des marins privés de fruits frais lors des longues traversées, se manifestait par des gencives qui saignent, des plaies qui cicatrisent mal et des hémorragies sous la peau.

1. Le fragment placé dans le milieu de base seul sert de .
De témoin : tout changement dans les autres lots est dû aux enzymes.
2. Avec la pectinase seule, les cellules se séparent : les pectines les cellules voisines.
Les pectines soudent les cellules voisines : elles assurent la cohésion du tissu.
3. Quand la cellulose est digérée à son tour, les cellules deviennent .
Elles deviennent sphériques : la paroi de cellulose fixait leur forme.
4. Sans vitamine C, les gencives saignent car la paroi des sanguins, mal renforcée, se rompt.
Le collagène, mal fabriqué, ne renforce plus la paroi des vaisseaux sanguins.
5. La matrice végétale est faite surtout de glucides (cellulose, pectines), la matrice animale surtout de .
Surtout de protéines fibreuses comme le collagène. Dans les deux cas, elle est fabriquée par les cellules, située entre elles, et les relie.

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