Organelle

Définition de l’organelle

Le terme organelle est dérivé du mot  » organe  » et désigne les compartiments de la cellule qui remplissent une fonction spécifique. Ces compartiments sont généralement isolés du reste du cytoplasme par des membranes intracellulaires. Ces membranes peuvent être similaires à la membrane plasmique ou constituées d’un complément différent de lipides et de protéines. Les propriétés d’une membrane sont dues à son origine, comme dans le cas des mitochondries ou des plastes, ou à sa fonction spécifique, comme dans le cas de la membrane nucléaire. Quelques organites ne sont pas liés à une membrane et sont présents sous forme de grands complexes constitués d’ARN et de protéines, comme les ribosomes.

Les images ci-dessous sont des représentations de cellules végétales, animales et bactériennes montrant des organites communs.

Structure de la cellule végétale

Structure de la cellule animale

Schéma simple de la bactérie

Les cellules doivent relever trois défis majeurs lorsqu’elles créent des organites. Le premier est la formation et la maturation des blocs de construction de base de l’organite. Cela inclut la membrane, ses macromolécules liées à la membrane et la machinerie cytosquelettique qui façonne l’organite. En outre, l’organite doit contenir les bons produits chimiques – protéines, acides aminés, lipides, glucides ou leurs monomères, ainsi que des cofacteurs, des enzymes et des molécules de signalisation. Ces molécules doivent être transportées spécifiquement, et souvent activement, dans ces compartiments subcellulaires. Enfin, les organites doivent être maintenus tout au long de la vie de la cellule et séparés de manière précise lors de la division cellulaire. Il existe un certain nombre de stratégies différentes utilisées par les cellules à travers le monde vivant pour accomplir ces tâches.

Différents types de cellules ont souvent une prédominance d’un certain organite en fonction de leur rôle principal dans le corps. Par exemple, les cellules du parenchyme des feuilles sont pleines de chloroplastes, alors que les cellules formant la racine sont souvent privées de cet organite. Un organisme unicellulaire actif, tel qu’une paramécie, pourrait avoir une vacuole à évolution rapide. Les cellules impliquées dans la sécrétion de protéines ont généralement un réseau de Golgi bien développé et un réticulum endoplasmique rugueux proéminent.

Exemples d’organites

Dans les organismes eucaryotes, presque toutes les cellules ont un noyau (les exceptions incluent les globules rouges des mammifères). Les autres organites couramment observés sont les mitochondries, les plastes (chez les autotrophes), les réticules endoplasmiques, l’appareil de Golgi, les lysosomes et les vacuoles. Certaines cellules spéciales comme les neurones contiennent également des vésicules synaptiques. Toutes ces structures sont liées à une membrane. Les complexes macromoléculaires comme les ribosomes, les spliceosomes, les centrioles et les centrosomes ne sont pas entourés d’une membrane, mais sont des organites importants dans la plupart des cellules, remplissant des fonctions vitales comme l’organisation du cytosquelette, la synthèse des protéines et le traitement de l’ARN.

Les bactéries contiennent des organites liés aux protéines et des organites liés aux lipides. Ceux-ci peuvent être constitués d’une simple membrane monocouche (exemple : carboxysomes) ou d’une bicouche (magnétosomes). Les organites des procaryotes sont aujourd’hui plus étudiés, notamment grâce à l’arrivée de meilleurs outils expérimentaux.

Types d’organites

Les organites peuvent être classés de plusieurs façons. La classification la plus simple est basée sur leur origine : si elles sont présentes chez les procaryotes ou les eucaryotes. Bien que de nombreuses voies biochimiques importantes entre ces deux lignées cellulaires partagent un ancêtre commun, un plan cellulaire complexe distingue la plupart des cellules eucaryotes. L’origine de ce type particulier de complexité n’est pas bien connue. Si les eucaryotes sont capables de réaliser des chaînes de réactions biochimiques finement régulées, c’est avant tout grâce à leur capacité de spécialisation subcellulaire. En outre, la présence d’organites capables de générer de l’ATP fournit également l’énergie nécessaire à ces réactions métaboliques et au maintien d’une cellule plus grande. D’autre part, le matériel génétique des procaryotes est situé dans des régions semi-organisées appelées nucléoïdes qui sont généralement considérées comme une partie du cytoplasme contenant la majeure partie du matériel génétique de la cellule. Les magnétosomes sont un autre type d’organite procaryote, pratiquement unique en ce qu’il est lié par une bicouche lipidique. Ces structures sont formées par des cytosquelettes de type actine qui interviennent dans la mise en forme et la localisation de l’organite au sein de la cellule.

Cette classification simpliste se heurte cependant parfois à des difficultés, notamment avec des structures comme les mitochondries ou les chloroplastes qui sont considérées comme d’anciens endosymbiontes. Cependant, en règle générale, les organites procaryotes sont souvent plus simples avec une moindre complexité en termes de composition chimique, et de structure membranaire.

Même au sein des cellules eucaryotes, la présence et la nature de la membrane autour d’un compartiment subcellulaire est une méthode commune de classification. Alors que les compartiments majeurs tels que les lysosomes et le réticulum endoplasmique sont liés par une bicouche lipidique, de nombreux organites importants, mais plus petits, interagissent librement avec l’environnement cytoplasmique. Ces organites ne sont pas remplis de liquide, mais sont plutôt des masses solides de protéines, d’ARN ou des deux. Les ribosomes et les spliceosomes sont des exemples courants d’organites qui ne sont pas liés à une membrane. Certaines personnes classent les parois cellulaires des plantes et des bactéries dans cette catégorie également, car elles sont créées principalement à partir de cellulose. Cependant, elle est située en dehors de la membrane cellulaire et ne peut donc pas être véritablement considérée comme une structure intracellulaire.

Enfin, certains organites peuvent se reproduire indépendamment du cycle cellulaire, car ils contiennent leur propre matériel génétique. Les plastides et les mitochondries revêtent ici une importance particulière. Cependant, s’ils se reproduisent même lorsque la cellule est au repos en phase G0, ils doivent importer du cytoplasme la majeure partie de la machinerie de duplication, ce qui les rend intimement liés aux besoins de la cellule. Les mitochondries et les chloroplastes contiennent un matériel génétique unique, indépendant du reste du noyau, et dans de nombreux cas, leur nombre au sein de la cellule peut changer. Par exemple, les fibres musculaires qui font face à une augmentation de leurs besoins en ATP, répondent souvent en augmentant le nombre de mitochondries dans la cellule. Les plantes et autres autotrophes peuvent montrer des adaptations similaires avec les chloroplastes.

Fonctions des organites

Les activités d’une seule cellule reflètent celles d’un organisme. La cellule ingère des nutriments, les digère et les transforme, les métabolise pour former des molécules plus grosses, respire et rejette des déchets. La plupart des cellules contribuent même à l’entretien de l’environnement extracellulaire, ce qui n’est pas sans rappeler l’existence de nombreuses espèces au sein de structures sociales.

Nutrition

Les organismes unicellulaires ingèrent la nourriture sous forme de grosses particules provenant de l’environnement et subissent une digestion intracellulaire. Celle-ci nécessite la présence d’organelles comme les vacuoles alimentaires ou phagosomes et les lysosomes pour transporter les enzymes digestives. Pour les organismes multicellulaires, certaines structures spécialisées livrent les nutriments à la cellule, qui les absorbe ensuite en vrac ou par le biais de transporteurs spéciaux. Chez la plupart des grands animaux, le système digestif se charge de l’ingestion et de la décomposition des aliments en unités monomères comme le glucose et les acides aminés. Les enzymes nécessaires à ce processus sont synthétisées dans le réticulum endoplasmique rugueux et sécrétées par le réseau de Golgi. Les aliments digérés sont acheminés vers chaque cellule par le système circulatoire, qui permet alors un transport passif ou utilise l’énergie pour absorber activement les nutriments.

Transport

Le transport intracellulaire est souvent géré par des filaments cytosquelettiques entrecroisés qui agissent comme des couloirs. Ces filaments forment une série de voies qui positionnent les organites et transportent les matériaux. Dans cette activité, ils sont aidés par des protéines motrices qui contiennent généralement deux domaines – l’un pour interagir avec la cargaison et l’autre pour naviguer sur le filament cytosquelettique. Par exemple, la plupart des neurones contiennent un long axone qui conduit les impulsions électriques sur toute sa longueur. Les vésicules synaptiques contenant des neurotransmetteurs se trouvent souvent à l’extrémité de l’axone et sont nécessaires à la transmission du signal électrique d’un neurone à l’autre au niveau de la synapse. Les composants de ces vésicules sont déplacés vers la synapse en suivant le chemin créé par les microtubules. Des protéines motrices appelées kinésines sont à l’origine de leur mouvement. D’autres matériaux tels que les enzymes ou les hormones peptidiques sont transportés par le réseau Trans Golgi pour être soit utilisés par la cellule, soit libérés par exocytose.

Les événements les plus spectaculaires du transport intracellulaire se produisent pendant la division cellulaire. Les chromosomes sont ségrégués avec précision et transportés vers les pôles opposés de la cellule grâce à une machinerie cellulaire complexe et étroitement régulée. Cela implique des centrosomes, des arrangements dynamiques de microtubules et de multiples modifications de la structure des chromosomes.

Digestion

Les lysosomes sont les principales structures impliquées dans la digestion intracellulaire. Ils contiennent un certain nombre d’enzymes hydrolytiques qui sont activées par le pH acide de ces organites. Ces enzymes sont synthétisées sous leurs formes inactives dans le cytoplasme avant d’être transportées dans l’organite par des canaux transmembranaires. Les lysosomes peuvent fusionner avec d’autres organites, comme les phagosomes, pour une digestion en masse. Cela joue également un rôle important dans l’immunité, lorsque les micro-organismes pathogènes sont ingérés par les cellules du système immunitaire et détruits par l’action de puissantes enzymes hydrolytiques.

Génération d’ATP

Les hétérotrophes s’appuient souvent sur les mitochondries pour la respiration aérobie et la génération d’ATP. Les autotrophes canalisent l’énergie du rayonnement solaire ou d’autres processus chimiques pour forger les liaisons à haute énergie de l’ATP. Les structures membranaires de ces deux organites sont importantes pour la génération d’ATP.

Contrôle et régulation

Les grands organismes complexes doivent utiliser un système nerveux et un système endocrinien pour maintenir l’homéostasie. Au sein d’une cellule, l’organite le plus important pour le contrôle et la régulation est le noyau. Les cellules reçoivent des informations sur l’environnement extérieur par le biais de cascades de signalisation complexes qui entraînent souvent des modifications de son contenu en ARN ou en protéines. Par conséquent, l’environnement nucléaire est étroitement régulé et l’importation et l’exportation de matériaux à travers l’enveloppe nucléaire constituent un processus important pour la cellule. La membrane nucléaire possède un certain nombre de structures spéciales appelées pores nucléaires et des protéines de transport appelées importines et exportines assurent l’entrée et la sortie des macromolécules. Ces macromolécules peuvent induire la régulation à la hausse d’un gène particulier, influencer l’épissage de l’ARN, signaler le début de la division cellulaire ou même amorcer le processus d’apoptose.

  • Apoptose – Mort cellulaire programmée qui se produit dans les organismes multicellulaires, précédée de changements distincts dans la morphologie et la biochimie de la cellule. Fréquente au cours du développement et également utilisée pour prévenir les maladies.
  • Endosymbiontes – Organismes qui vivent à l’intérieur d’autres organismes.
  • Protéines motrices – Protéines qui fonctionnent comme des moteurs moléculaires, convertissant l’énergie chimique en énergie mécanique, tout en se déplaçant le long d’une surface appropriée.
  • Régulation à la hausse – En génétique, se réfère à une augmentation du nombre de transcrits d’ARN produits à partir d’un gène. Peut également faire référence à l’augmentation du nombre de récepteurs présents à la surface d’une cellule.

Quiz

1. Laquelle de ces fonctions est une fonction des mitochondries ?
A. La génération d’ATP et de GTP
B. La division cellulaire
C. Transmission du matériel génétique nucléaire
D. Toutes ces réponses

Réponse à la question n°1
A est correct. L’ATP et le GTP peuvent tous deux être générés au cours du cycle de Kreb au sein des mitochondries. Bien que les mitochondries puissent se dupliquer au sein de la cellule, leur fonction principale n’est pas d’être impliquées dans le processus de division cellulaire. De même, bien que la transmission du matériel génétique nucléaire soit un processus à forte intensité énergétique, il n’est pas raisonnable d’impliquer les mitochondries dans ce processus.

2. Laquelle de ces affirmations est vraie à propos du transport intracellulaire ?
A. Des protéines motrices appelées kinésines transportent les vésicules synaptiques le long d’une voie basée sur l’actine
B. Les centrosomes sont importants dans la ségrégation des chromosomes pendant la division cellulaire
C. Le réticulum endoplasmique lisse est impliqué dans la synthèse et la sécrétion des protéines
D. Toutes ces réponses

Réponse à la question n°2
B est correct. La ségrégation des chromosomes pendant la division cellulaire fait intervenir un certain nombre de protéines et de structures et organelles multiprotéiques, et le centrosome joue un rôle important dans ce processus. Les protéines motrices qui transportent les vésicules synaptiques voyagent généralement le long de microtubules, et non de filaments d’actine. Le réticulum endoplasmique lisse est principalement impliqué dans le métabolisme et la synthèse des lipides. Le réticulum endoplasmique rugueux et l’appareil de Golgi sont les structures cruciales dans la synthèse des protéines qui doivent être sécrétées par exocytose.

3. Pourquoi l’importation et l’exportation nucléaires doivent-elles être étroitement régulées ?
A. Peut influencer l’expression des gènes
B. Peuvent induire la division cellulaire ou l’apoptose
C. Peut modifier le contenu protéique de la cellule
D. Toutes ces réponses

Réponse à la question n°3
D est correct. Le noyau est le centre de contrôle de l’homéostasie au sein de la cellule et dirige sa croissance, son métabolisme et sa mort éventuelle. La présence de molécules spécifiques – notamment des enzymes, ou des molécules de signalisation – peut modifier l’expression des gènes, en augmentant ou en diminuant le taux de transcription. Le traitement et l’exportation de cet ARN déterminent le contenu protéique de la cellule. Le transport nucléaire est également important à la fois dans la division et la mort cellulaire.

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