L'histoire biologique : de l'atome à l'organisation cellulaire

Introduction à l'histoire biologique

Nous sommes des mammifères, mais notre histoire biologique a commencé il y a des milliards d'années.

Le Big Bang et la formation de l'Univers

• Le Big Bang : il y a 20 milliards d'années.
• Formation des galaxies et des planètes.
• Cent mille ans de «refroidissement» après de nombreuses explosions.

Notre maison, la Terre, s'est formée il y a 4 milliards d'années.

L'émergence des molécules organiques

Des molécules inorganiques interagissent entre elles (gaz, eau, solides). La foudre et les orages accélèrent les réactions chimiques grâce à leur énergie. Parmi les molécules organiques formées, seulement 30 seraient les ancêtres de la vie, dont :

• 20 acides aminés : les briques élémentaires des protéines.
• Des acides gras (très basiques).
• Le glucose : le sucre de base.
• La base de la choline : l'élément de base de l'acétylcholine, un neurotransmetteur important chez toutes les créatures dotées d'un système nerveux.

Les eaux de l'océan, source de la vie biomoléculaire, évoluent. La concentration du soluté et du solvant n'était pas idéale au début. Il y a 3 milliards d'années, les molécules ont pris leur temps (un milliard d'années) pour se réunir et se multiplier, car des protéines «intelligentes» sont apparues. Ces protéines accélèrent les réactions chimiques et sont capables de gérer la formule de la synthèse protéique.

Les molécules se sont «disciplinées» en membranes en couches et ont formé la première structure qui devait être repliée et verrouillée pour les autres molécules (protéines, eau et sel) : la première cellule est apparue !

Les Monères (Bactéries) : la première cellule

Ainsi, les Monères (bactéries) apparaissent dans la mer primitive avec une structure très simple : une membrane cellulaire lipoprotéique, un cytoplasme ou cytosol (avec des protéines et des sels), et une molécule d'ADN d'un seul petit millimètre de long formant un seul chromosome avec peu de gènes. (L'ADN de chaque cellule humaine «étiré» mesure plus de 1 mètre de long !). Cet ADN donne l'information nécessaire pour s'auto-renouveler et se diviser, créant des milliards d'êtres vivants minuscules, ne dépassant pas 1 micron (millième de millimètre) de diamètre.

Pour avoir une idée de leur taille :

• 1 Å (Angström) est 1 000 fois plus petit que le micron et 1 million de fois plus petit qu'un point sur un document (qui mesure un dixième de millimètre).
• Un micron est le diamètre d'une bactérie.

L'évolution vers les Eucaryotes

La nature a pris 2 milliards d'années pour transformer cette cellule de base sans noyau, dont l'ADN est dispersé dans le cytoplasme (appelée procaryote : pro = avant, carion = noyau), en une cellule plus grande et plus complexe, dotée d'un noyau contenant plus de chromosomes. Le nombre de gènes (segments d'ADN porteurs d'information) a été multiplié, permettant de synthétiser plus de protéines. C'est la cellule eucaryote (Eu = vrai, carion = noyau).

Les eucaryotes ont d'abord été unicellulaires (les Protistes), puis se sont regroupés pour former des tissus, des organes et des systèmes, donnant naissance à la grande diversité des règnes : les Champignons, les Plantes et les Animaux.

Selon la classification de Whittaker, il existe 5 règnes :

1. Monères
2. Protistes
3. Champignons
4. Plantes
5. Animaux

Cependant, il existe deux empires : les Procaryotes et les Eucaryotes.

Des bactéries ont été découvertes qui ne remplissent pas les conditions complètes des eucaryotes ni des procaryotes, mais sont plutôt un intermédiaire entre les deux : les Archéobactéries (ou Archées) des fonds marins. Cela a conduit à repenser les classifications. Aujourd'hui, on parle de trois domaines : Eukaryota, Archaea et Procaryota.

La théorie de l'endosymbiose

Il existe plusieurs théories à ce sujet, mais la plus attrayante est celle proposée par Lynn Margulis, basée sur l'ADN présent dans les mitochondries (organites intracellulaires des eucaryotes, situés dans le cytoplasme). Cette théorie suggère que de petits procaryotes, capables de se défendre, ont colonisé le cytoplasme de plus grands procaryotes. Ils ont appris à vivre en symbiose, le plus petit renonçant à une partie de son ADN, le plus grand réalisant ainsi un chromosome plus complexe. C'est ainsi qu'une structure nucléaire typique des eucaryotes a commencé, et les bactéries sont devenues de petites mitochondries. C'est la théorie des «endosymbiontes», qui explique deux milliards d'années de développement précoce dans notre corps.

Nous commencerons maintenant par le niveau le plus élémentaire : le niveau atomique et moléculaire.

Niveau atomique et moléculaire

Les molécules qui composent nos cellules et leurs composants sont fabriquées à partir d'atomes simples, petits et très fonctionnels. C'est peut-être là que réside la grande polyvalence et le potentiel de changement rapide et d'adaptation des êtres vivants.

Les éléments fondamentaux de la vie

• Carbone : Sa structure spatiale (semblable à une pyramide à quatre sommets) lui permet de se combiner facilement, y compris avec d'autres atomes de carbone, formant un squelette moléculaire adapté aux longues chaînes ou aux anneaux fermés et résistants.
• Oxygène : Polyvalent et facile à combiner (formant l'oxygène moléculaire, essentiel pour les organismes aérobies), c'est l'élément le plus abondant sur Terre et dans sa biosphère.
• Hydrogène : L'atome le plus simple. Il est le plus agile pour déplacer l'énergie contenue dans son unique électron orbital et se combine avec l'oxygène pour former l'eau, «l'élément vital».
• Azote : Un élément clé dans la structure des protéines et des acides nucléiques (la mémoire ancestrale des gènes). Il est également présent dans les «batteries» qui emmagasinent l'énergie : l'ATP.

Des atomes et des molécules inorganiques (chlore, sodium, fer, potassium, cuivre, cobalt, nickel, cadmium, phosphore, soufre) interviennent également dans les organismes vivants.

Interactions et transformations moléculaires

Les plus petits atomes forment les plus petites molécules, qui peuvent se déplacer librement, former des liaisons covalentes avec l'eau et se dissoudre. La nature fait gagner ou perdre des électrons, aidant aux processus d'oxydo-réduction. Les graisses et les fibres insolubles ne traversent pas les membranes cellulaires, mais les substances solubles dans l'eau peuvent quitter le corps pour être renouvelées. Rien n'est perdu, seulement transformé !

Certains atomes, comme l'hydrogène qui perd son électron orbital, deviennent des protons. Leur concentration peut devenir dangereuse pour certaines molécules, entraînant l'acidose ou l'alcalose, des états que les organismes doivent surveiller pour survivre.

Organisation : niveau des membranes et des cellules

Les molécules et leur capacité à traverser les membranes

Il existe différentes complexités moléculaires :

1. Petites molécules (Cristalloïdes) : Leur diamètre ne dépasse pas 10 Angströms (généralement quelques dizaines d'atomes). Elles forment de vraies solutions avec l'eau (qui se comporte comme un dipôle) et peuvent traverser les membranes cellulaires par diffusion, via des pores ne dépassant pas 8 Å.
2. Grandes molécules (Colloïdes) : Elles mesurent entre 10 Å et 100 Å. Ce sont souvent des protéines. Leur taille rend les solutions plus instables (fausses solutions). Des exemples sont l'albumine et les globulines.

L'albumine est responsable de la puissance d'attraction de l'eau appelée osmose. Les globulines sont responsables de notre défense immunitaire (notre «attaque au missile»), appelées anticorps, qui réagissent aux molécules étrangères.

Les Lipides et la bicouche membranaire

Il existe des molécules encore plus grandes (plus de 100 Å), dont la structure est à la fois apolaire et polaire (selon la partie concernée). Ces molécules, appelées lipides (communément appelées «graisses»), sont partiellement ou totalement incompatibles avec l'eau. L'eau ne peut former ni vraies ni fausses solutions avec elles ; elles forment de petites gouttelettes qui flottent.

Pour se «mélanger» (sans se dissoudre) avec l'eau, les lipides ont besoin de l'aide de substances appelées «détergents», formant ainsi de petites micro-gouttelettes dispersées. Les lipides possèdent une grande force d'attraction intermoléculaire (tension de surface) et sont responsables de la formation de deux (2) couches de molécules. Ces couches, associées à des «tubes» protéiques et à une faible teneur en sucre, constituent la structure complexe qui sert de «mur» séparant le comportement intracellulaire du milieu extracellulaire.

Mécanismes de transport membranaire

• Les petites molécules, polarisées ou ionisées et solubles, entrent ou sortent par les «pores», «canaux» ou «tubes» de protéines, souvent via une «pompe» (comme la célèbre pompe sodium-potassium-chlorure-calcium, inactive lors de l'extension électrique des nerfs).
• Les grandes molécules ne passent que si elles se «collent» à la membrane, qui s'invagine (se creuse) pour les entourer et les incorporer dans la cellule (pour être utilisées ou détruites si elles sont étrangères).

Le mécanisme d'incorporation des grandes molécules est appelé pinocytose (si la particule est liquide) ou phagocytose (si elle est solide).

Trois des quatre grandes classes de molécules organiques constituent les membranes cellulaires de tous les êtres vivants (bactéries, champignons, plantes et animaux). La quatrième substance est constituée des acides nucléiques (ADN et ARN), des molécules «intelligentes» capables d'auto-reproduction.

Le Cytoplasme et le Cytosquelette

Les organites (petites structures moléculaires responsables de fonctions spécifiques) sont souvent constitués de membranes. Chez la cellule eucaryote, même le noyau, qui abrite les acides nucléiques, est entouré d'une membrane nucléaire très similaire à la membrane cellulaire ou cytoplasmique.

À l'intérieur de la membrane délimitée, nous trouvons le cytoplasme ou cytosol, qui ressemble à une «gelée» composée à soixante pour cent d'eau et d'organites. Bien que la cellule ressemble à une «boule de gélatine» ou à un «ballon d'eau lourde», elle contient un squelette fibreux interne, des «fils» de protéine appelée actine (la même que celle qui fait partie de l'appareil contractile des cellules musculaires ou myocytes). Ces filaments s'étendent dans toutes les directions, d'un point de la surface interne de la membrane à la surface opposée, comme l'axe de la Terre de pôle à pôle.

Flottant dans cette mer d'eau et de protéines se trouvent les organites, chacun ayant des fonctions spécifiques :

Mitochondries et Métabolisme

Les Mitochondries sont des structures qui peuvent être présentes par milliers dans les cellules. Elles sont responsables de la «transformation» des carburants (graisses, sucres et protéines), «cassant» les atomes dans les molécules pour «libérer» l'énergie. Cette énergie est ensuite stockée dans des «batteries» moléculaires riches en phosphate : l'ATP (Adénosine Triphosphate) et la PC (Créatine Phosphate).

Ces accumulateurs ne peuvent libérer de l'énergie que pendant quelques secondes (10 à 30 secondes) d'activité cellulaire intense. Au-delà de ce temps, il faut cataboliser les carburants (le catabolisme est la rupture moléculaire exergonique, libérant de l'énergie) afin d'anaboliser (l'anabolisme est la synthèse endergonique, stockant de l'énergie, faisant partie du métabolisme cellulaire).

Les membranes mitochondriales sont au nombre de deux : une externe et une interne. Cette dernière est «repliée», formant des «crêtes» qui soutiennent les cytochromes, qui sont des enzymes respiratoires.

Ces enzymes sont des protéines qui accélèrent les réactions chimiques (des processus qui dureraient des heures ne durent que quelques secondes) ; ce sont des catalyseurs biologiques.

Respiration Aérobie et Anaérobie

Ces enzymes agissent en présence d'oxygène (processus aérobie). L'oxygène, abondant dans l'atmosphère, est un puissant «accepteur» d'hydrogène et d'électrons une fois qu'ils ont libéré leur énergie (ils sont des accepteurs de protons).

En l'absence d'oxygène (processus anaérobie), les réactions chimiques se déroulent en dehors des mitochondries, dans le cytoplasme. Ici, les enzymes (souvent fixées à l'intérieur de la membrane cellulaire) libèrent de l'énergie en catabolisant des carburants comme le glucose, mais avec une efficacité énergétique beaucoup plus faible. La vie cellulaire anabolique ne peut pas dépasser 5 minutes (exceptionnellement 7 à 10 minutes) dans ces conditions.

C'est pourquoi nous comprenons l'urgence des équipes de secours médical en cas d'arrêt cardiaque et respiratoire : il faut ressusciter la victime pour reprendre l'alimentation aérobie, plutôt que de la maintenir «vivante et végétant» en anaérobie lorsque le cœur et les poumons ont cessé de fonctionner.

Les mitochondries représentent une étape majeure dans l'évolution de la vie. Il a fallu un milliard d'années pour passer d'une cellule procaryote (bactérie) capable de vivre sans ou avec très peu d'oxygène, à une cellule eucaryote.

Ribosomes

Les Ribosomes sont évolutivement anciens, tout comme les mitochondries. On les trouve dans le règne des Monères (bactéries), mais ils sont plus petits.

Le système réticulaire (Réticulum Endoplasmique)

Ces organites sont «tubulaires», reliés entre eux comme un réseau. Le réticulum stocke les protéines synthétisées sur les ribosomes.

• Si des ribosomes sont attachés à la paroi tubulaire (membrane), le réticulum est dit granulaire (ou rugueux).
• Si le réticulum est nu (sans ribosomes), il est dit lisse.

Le réticulum est le «stock» des produits fabriqués par la cellule : messagers chimiques (cytokines ou hormones circulant dans le sang), mucus (dans les cellules qui le produisent, formant la muqueuse), ou enzymes digestives (produites dans le tube digestif ou dans les glandes accessoires comme le foie et le pancréas).

Ce système de tuyauterie est généralement lié aux pores de la membrane nucléaire, accélérant ainsi l'opération de fabrication cellulaire : «l'ordre» du «centre de conception» (le noyau) va directement à «l'usine d'assemblage» (le ribosome) et au stockage (le réticulum).

Appareil de Golgi

C'est également un système de membrane tubulaire, mais un peu plus grand et plus profond, qui stocke les grandes molécules sécrétoires, souvent sous forme de lipoprotéines chimiques (mais pas les hormones dont le noyau chimique est le cholestérol).

Vacuoles lipidiques (Liposomes)

Dans le cytoplasme d'une cellule, des micro-gouttes de lipides (graisses) sont stockées dans des vésicules (semblables aux phagosomes et lysosomes) entourées d'une membrane lipoprotéique. Ces lipides sont de grosses molécules, mais de faible densité (masse/volume), inférieure à celle de l'eau, ce qui les fait flotter.

Ces molécules, composées de longues chaînes de carbone (comme les triglycérides), libèrent plus d'énergie par catabolisme que tous les autres carburants (sucres ou protéines), mais elles ne peuvent le faire qu'en présence d'oxygène dans les mitochondries.

Dans le corps, les graisses agissent comme un carburant lent, capable de fournir de l'énergie sur de longues durées et distances, contrairement à un carburant rapide.

Granules de glycogène de réserve

Dans le cytoplasme, surtout dans les myocytes (fibres ou cellules musculaires), est stocké un autre carburant : le glycogène. Bien que sa quantité soit limitée (pas plus de 400-500 grammes dans tout le corps humain), il s'agit de glucose polymérisé (un hydrate de carbone ou sucre) de 300-400 Å. Il est polymérisé car, en tant que monomère à 6 carbones, il «s'échapperait» par les pores tubulaires de la membrane cellulaire.

C'est un carburant rapide, mais il donne moins de puissance et est épuisé en une minute et demie de travail très intense. Son épuisement est responsable de la fatigue que nous ressentons régulièrement.

Centrioles

Ce sont des organites qui apparaissent uniquement au moment de la division cellulaire.

Ils sont en paires et se placent à un pôle de la cellule. Des filaments apparaissent, allant de l'un à l'autre «comme une corde à linge». Sur ces filaments, les chromosomes (fragments d'ADN responsables de l'hérédité) se déplacent «comme des épingles à linge» pour être transmis d'une cellule à l'autre.

La division cellulaire (Mitose)

Les cellules se divisent pour se multiplier. Après avoir copié tout leur matériel génétique (ADN nucléaire) — un processus appelé «réplication» (en fait, une copie miroir) — la grande molécule à double brin ou double hélice est fragmentée en morceaux appelés chromosomes.

Dirigés par les centrioles et marchant sur les «fils» (fuseau mitotique), les chromosomes se rendent à chaque pôle cellulaire. La cellule se divise alors en deux, créant deux nouvelles cellules (en fait, une cellule mère et une cellule fille). Étant donné que nous sommes tous issus de l'union de l'ovule et du spermatozoïde (chacun portant la moitié de l'information génétique) pour former une nouvelle cellule, des millions de divisions cellulaires sont nécessaires pour former un nouvel être vivant, car nous sommes composés de millions de cellules, chacune contenant l'information génétique totale.

Régulation de la Mitose et Cancer

Le nombre de divisions cellulaires (mitoses) par jour est variable. Il est très intense pendant la phase de croissance (enfance), ralentit à la fin de l'adolescence et se stabilise à l'âge adulte. Bien que le renouvellement cellulaire soit permanent, la mitose n'est pas permanente dans chaque cellule. Il y a des périodes où une cellule ne se divise pas, mais ses voisines le font, créant un équilibre entre celles qui meurent et celles qui sont nées défectueuses. Ces dernières sont phagocytées ou «avalées» par les cellules immunitaires.

Si le «frein» de la division cellulaire échoue, il y aura trop de cellules, et très immatures.

Si «l'escadron de nettoyage» échoue également, des cellules atypiques ou «déformées» ne peuvent pas être éliminées de l'organisme.

Dans les deux cas, elles s'accumulent dans certains organes, produisant une «masse» ou une tumeur. Si elles sont très immatures et/ou envahissent de petits vaisseaux sanguins, elles peuvent «coloniser» d'autres organes éloignés : la tumeur va métastaser.

Ceci est la base de la théorie cellulaire et de la théorie immunitaire du cancer. Pour le traiter, on utilise la thérapie génique, des médicaments immunosuppresseurs ou des stimulants de l'immunité (traitement médical), ou l'ablation de la tumeur qui «étouffe» les cellules normales en comprimant les vaisseaux sanguins et en les privant de nutriments (intervention chirurgicale).

La médecine regorge d'exemples de produits chimiques auxquels les humains peuvent être exposés et qui causent des «changements» dans leurs gènes, appelés mutations, conduisant au cancer. Il y a aussi l'exposition à d'autres toxines qui dépriment l'immunité, provoquant des infections graves par des germes «opportunistes» et le cancer.

Développement embryonnaire et tissus

Nous passons maintenant à l'élaboration d'un nouvel être à partir d'une «cellule souche» (mère et père). L'embryologie nous aide à comprendre ce qui se passe ensuite, jusqu'à la naissance.

Les trois couches germinales

Après la fécondation, les cellules se différencient en trois couches :

1. Ectoderme : La couche la plus superficielle, qui donne naissance à la peau (épiderme) et au système nerveux central et périphérique (ectoderme neural et ectoderme général).
2. Mésoderme : La couche intermédiaire, qui donne naissance au myocarde, aux os, aux muscles squelettiques, aux articulations, aux reins et aux gonades.
3. Endoderme : La couche la plus profonde, qui tapisse les structures tubulaires reliant l'environnement à l'intérieur du corps (voies respiratoires et épithélium digestif). Ces cellules produisent une substance gélatineuse (le mucus) pour piéger les molécules ou cellules étrangères et les éliminer. C'est pourquoi on parle de muqueuses respiratoires et digestives.

L'embryologie nous permet de comprendre comment les substances toxiques (tératogènes) qui altèrent les gènes de ces trois types de cellules et/ou leur expression (génotype et phénotype) peuvent provoquer des maladies. Par exemple, certaines substances industrielles peuvent causer des maladies de la peau et du système nerveux, ou des rhumatismes et des maladies de la plèvre, du péricarde et du péritoine. Si les symptômes surviennent pendant le développement embryonnaire (grossesse), on parle de «malformations congénitales».

Le niveau d'organisation tissulaire

Comme on peut le voir, dans un organisme complexe comme les mammifères, les cellules ne sont pas isolées ou dispersées, mais sont regroupées pour former des tissus.

Elles doivent être suspendues dans un compartiment qui les entoure : le milieu extracellulaire. Ce milieu peut être liquide, semi-solide ou gélatineux, et contient une nappe de fibres ou de fils qui sert de squelette et de soutien à ces cellules. Nous avons ainsi atteint un nouveau niveau d'organisation biologique.