Organites Cellulaires : Noyau, Mitochondries et Chloroplastes

Le Noyau Cellulaire

C'est le principal organite des cellules eucaryotes, animales et végétales. Il contient le génome de la cellule, et c'est à l'intérieur de lui que se déroulent la réplication de l'ADN et la synthèse d'ARN. La plupart des cellules possèdent un seul noyau, bien que certaines, comme les érythrocytes de mammifères, n'en aient pas. Les hépatocytes peuvent en avoir deux, et les ostéoclastes peuvent être multinucléés.

Position et Structure du Noyau

Au repos, le noyau occupe généralement une position centrale dans les cellules animales. Dans les cellules végétales, il se trouve souvent en position excentrée en raison de la présence de vacuoles très développées. Les éléments suivants sont distingués : la membrane nucléaire, le nucléoplasme, la chromatine et le nucléole. Sa forme varie selon le type cellulaire.

La Membrane Nucléaire

Elle délimite le noyau, séparant son contenu du cytoplasme. Elle est constituée de :

• Membrane nucléaire externe : Elle porte des ribosomes sur sa face cytoplasmique et est en continuité avec les membranes du Réticulum Endoplasmique Lisse (REL) et Réticulum Endoplasmique Rugueux (RER), ce qui implique une communication indirecte.
• Membrane nucléaire interne : Sa face interne est recouverte d'un réseau de fibres protéiques (lamina nucléaire) qui apporte un soutien structurel au noyau.

Le Nucléoplasme

C'est un milieu aqueux contenant diverses molécules, notamment des enzymes de réplication, des protéines impliquées dans les activités nucléaires (réplication de l'ADN et synthèse d'ARN), et la chromatine.

La Chromatine

C'est le matériel génétique du noyau en interphase. Il se présente sous forme de granules et de fibrilles dispersées dans le nucléoplasme. Chaque fibrille de chromatine est une molécule formée d'ADN et de nombreuses protéines. Les principales protéines associées à la chromatine sont les histones.

Types de Chromatines

• Hétérochromatine : Elle est condensée en interphase, transcriptionnellement inactive et est considérée comme une région stable.
• Euchromatine : C'est la chromatine transcriptionnellement active et étendue.

Le Nucléole

C'est une structure sphérique sans membrane, présente dans le noyau interphasique. Au microscope, il apparaît comme un ensemble de petits grains et de fibres, qui sont considérés comme des sous-unités ribosomiques et des filaments de chromatine. Il y en a généralement un ou deux par cellule, mais leur nombre et leur taille dépendent de l'activité cellulaire. La plupart des cellules possèdent un nucléole.

Localisation du Nucléole

Le nucléole est toujours situé à proximité de certaines régions de chromosomes spécifiques. Ces endroits sont appelés Régions Organisatrices Nucléolaires (NOR), et ce sont des fragments d'ADN nucléaire où l'ARNr est transcrit. Au cours de la mitose, au début de la prophase, le nucléole disparaît. À la fin de la télophase, les régions organisatrices nucléolaires de certains chromosomes commencent à transcrire l'ARNr pour le reformer.

Fonctions du Nucléole

• Dans le nucléole, tous les types d'ARNr sont synthétisés, à l'exception d'une petite partie de la grande sous-unité.
• C'est également dans le nucléole que les sous-unités ribosomiques sont assemblées, en liant les ARNr aux protéines provenant du cytoplasme. Ces sous-unités sortent ensuite par les pores nucléaires.

Le Nucléole et la Division Cellulaire

Au cours de la mitose, le nucléole se désintègre et les filaments de chromatine commencent à subir des enroulements successifs pour former les chromosomes. Lorsque ces structures se condensent, l'ADN devient épais, dense et court, mais il ne peut plus être transcrit. Par conséquent, pendant la durée de la division du noyau, il n'y a pas de synthèse d'ARN. Pendant la mitose, le noyau cesse d'exister en tant que tel : le nucléole disparaît, l'enveloppe nucléaire se désagrège en vésicules indépendantes qui disparaissent, le contenu du noyau est libéré dans le cytoplasme et les chromosomes sont dispersés. À la fin de la mitose, le processus inverse se produit : les chromosomes se décondensent et reprennent la forme typique des noyaux, une fois que l'enveloppe nucléaire s'est réorganisée autour de chaque jeu de chromosomes.

Structure du Chromosome

• Chromatides : Ce sont les deux moitiés longitudinales du chromosome, chacune formée d'une molécule d'ADN. Elles sont symétriques, parallèles l'une à l'autre et se ressemblent. Elles restent liées au niveau d'un rétrécissement (le centromère).
• Centromère : C'est la région qui occupe une position variable et divise le chromosome en deux bras. Il maintient ensemble les deux chromatides sœurs et permet au chromosome de s'attacher aux fibres du fuseau mitotique.
• Bras : Ce sont chacune des parties, de même longueur ou différentes, que le centromère divise sur le chromosome.
• Kinétochores : Ce sont des disques protéiques situés de chaque côté du centromère sur chaque chromatide. Ils s'engagent avec les microtubules du fuseau mitotique, permettant la séparation des chromosomes.
• Satellite : Présent occasionnellement, c'est une partie sphérique à une extrémité du chromosome, séparée du reste du bras par une constriction secondaire.
• Télomères : Ce sont les extrémités des chromosomes. Les télomères empêchent ces extrémités de subir des changements structurels.
• Bandes : Ce sont des segments de chromosomes de largeur variable, qui apparaissent comme des bandes claires et sombres, colorées à divers degrés lorsqu'elles sont exposées à certains colorants. Le profil de bandes de chaque chromosome est caractéristique et permet d'identifier le nombre et l'ordre des paires de chromosomes homologues pour chaque cellule.

Organites Énergétiques à Membranes

Ces organites sont dédiés au métabolisme énergétique chez les eucaryotes. Il s'agit des mitochondries et des chloroplastes.

Les Mitochondries

Ces organites produisent des réactions chimiques qui fournissent l'énergie nécessaire aux activités cellulaires.

Caractéristiques des Mitochondries

• Forme : Elle est variable et peut aller de presque sphérique à très cylindrique et allongée.
• Nombre : Le nombre de mitochondries dans une cellule varie en fonction de ses besoins, étant plus nombreuses et plus grosses lorsque les besoins énergétiques de la cellule sont élevés.

Ultrastructure des Mitochondries

La mitochondrie se compose d'une matrice (espace intérieur), d'une double membrane (la membrane externe mitochondriale et la membrane interne, qui est repliée en de nombreuses crêtes augmentant considérablement sa surface) et d'un espace intermembranaire (entre les deux membranes).

Fonctions des Mitochondries

La fonction principale de la mitochondrie est de produire de l'énergie. La cellule aérobie tire l'essentiel de son énergie de la respiration cellulaire, qui se déroule dans différentes parties de la mitochondrie.

Composition des Mitochondries

• Matrice mitochondriale :
  • Molécules d'ADN mitochondrial, circulaire et double brin, qui contiennent des informations pour la synthèse d'un bon nombre de protéines mitochondriales.
  • Mitoribosomes (ribosomes qui peuvent être libres dans la matrice ou attachés à la membrane mitochondriale interne), qui sont plus petits que les ribosomes cytoplasmiques.
  • Ions Ca²⁺ et phosphate, de l'eau et de nombreuses enzymes ; certaines interviennent dans la réplication, la transcription et la traduction de l'ADN mitochondrial (qui se produit dans la synthèse des protéines mitoribosomales), et d'autres sont impliquées dans le cycle de Krebs et l'oxydation de l'acide pyruvique.
• Membrane interne mitochondriale :
  • Contient plus de protéines que la membrane plasmique. On y trouve la chaîne de transport d'électrons, responsable de la production d'ATP (ATP synthase) et du transport des métabolites à travers la membrane mitochondriale.
• Membrane externe mitochondriale :
  • Présente une composition enzymatique avec un grand nombre de protéines formant de grands canaux aqueux. Cette dernière la rend très perméable.
• Espace intermembranaire :
  • Sa composition est similaire à celle du cytosol, en raison de la perméabilité de la membrane externe, bien qu'il contienne de nombreuses enzymes.

Les Plastides : Caractéristiques Générales

Ce sont des organites cytoplasmiques uniques aux cellules végétales. En fonction de leur capacité à synthétiser et stocker des substances, ils peuvent être de deux types :

• Chromoplastes : Ils stockent des pigments comme la chlorophylle et les caroténoïdes. Parmi eux se trouvent les chloroplastes, qui synthétisent et stockent la chlorophylle.
• Leucoplastes : Ils sont incolores (absence de pigments). Ils peuvent être des amyloplastes (stockent l'amidon), des oléoplastes (stockent les huiles) ou des protéinoplastes (stockent les protéines).

Les Chloroplastes

Les chloroplastes sont un type de chromoplastes verts que l'on trouve dans les cellules végétales photosynthétiques. Ils sont mobiles et se dirigent vers la face de la cellule où la lumière est la plus intense.

Forme des Chloroplastes

Chez les plantes supérieures, ils sont ovoïdes ou lenticulaires, mais chez certaines algues, leur forme est plus variable.

Nombre et Structure des Chloroplastes

Le nombre de chloroplastes varie. Ils sont délimités par une double membrane (une membrane externe et une membrane interne) et possèdent un espace intermembranaire. La membrane interne ne présente pas de crêtes et délimite un espace central appelé stroma. C'est dans le stroma que se trouve le troisième type de membrane, la membrane thylacoïde, qui forme la paroi de disques plats (les thylakoïdes). Les thylakoïdes sont généralement regroupés en piles appelées grana.

Fonctions des Chloroplastes

Ils sont responsables de la photosynthèse, le processus par lequel la cellule obtient de l'énergie des rayons du soleil et l'utilise pour synthétiser du glucose à partir de CO₂ et d'eau.

Composition Chimique des Chloroplastes

• Stroma :
  • Contient de l'ADN double brin et circulaire, qui code pour la synthèse de certaines protéines.
  • Ribosomes chloroplastiques (plastoribosomes), qui sont plus semblables aux ribosomes bactériens.
  • Grains d'amidon et inclusions lipidiques.
  • Enzymes responsables de la conversion du CO₂ en hydrates de carbone pendant la photosynthèse (cycle de Calvin).
• Membranes externe et interne :
  • Les membranes de l'enveloppe ne contiennent pas de chlorophylle. Elles sont composées de lipides et de protéines (notamment des protéines de transport qui contrôlent le passage des substances du cytosol vers le stroma).
  • La membrane externe contient une protéine (porine) qui forme des canaux permettant la libre diffusion de petites molécules.
  • La membrane interne est imperméable aux ions et aux métabolites, qui ne peuvent entrer dans les chloroplastes que grâce à des transporteurs membranaires spécifiques.
• Membrane des thylakoïdes :
  • Cette membrane contient des lipides, des protéines et des pigments. La membrane des thylakoïdes remplit la même fonction que la membrane interne mitochondriale en termes de son rôle dans le transport d'électrons et la production d'ATP.

Genèse des Mitochondries et Chloroplastes

Selon la théorie de l'endosymbiose, l'origine des mitochondries et des chloroplastes provient respectivement de bactéries aérobies et de cyanobactéries qui ont été endocytées et non digérées par une cellule eucaryote primitive, établissant ainsi une relation symbiotique.

• Les mitochondries et les chloroplastes sont de taille similaire à celle de certaines bactéries.
• Comme les bactéries, ils se reproduisent par bipartition (indépendamment de la division cellulaire de la cellule hôte).
• Ils possèdent leur propre ADN, qui se réplique à chaque division de l'organite et contient des gènes qui codent pour certains composants. Ces gènes sont transcrits et traduits par les ribosomes de l'organite.
• Les ribosomes et l'ARN ribosomique des mitochondries et des chloroplastes sont plus similaires à ceux des bactéries qu'à ceux des eucaryotes.
• Les chloroplastes réalisent la photosynthèse de la même manière que les cyanobactéries.