Unité structurale et fonctionnelle fondamentale de tout être vivant — du procaryote unicellulaire aux 37 000 milliards de cellules qui composent le corps humain.
La théorie cellulaire, formulée par Schleiden, Schwann et Virchow (1839–1858), est l'un des piliers de la biologie moderne. Elle pose trois postulats fondamentaux :
Tous les êtres vivants sont constitués d'une ou plusieurs cellules. La cellule est la plus petite unité capable de réaliser l'ensemble des fonctions biologiques.
Qu'il s'agisse d'une bactérie unicellulaire ou d'un être humain composé de 37 000 milliards de cellules, la cellule est le dénominateur commun du vivant.
« Omnis cellula e cellula » (Virchow, 1858). La vie est une continuité cellulaire ininterrompue depuis les premières cellules apparues il y a ~3,5 milliards d'années.
Omnis cellula e cellula — Toute cellule provient d'une cellule. — Rudolf Virchow, 1858
Du grec pro-karyon (avant le noyau). Les cellules procaryotes sont les plus simples et les plus anciennes formes de vie. Elles regroupent les Bactéries et les Archées.
Du grec eu-karyon (vrai noyau). Cellules possédant un noyau délimité par une enveloppe nucléaire et de nombreux organites membraneux. Apparues il y a ~2 milliards d'années.
| Caractéristique | Procaryotes | Eucaryotes |
|---|---|---|
| Noyau délimité | ❌ Nucléoïde | ✅ Enveloppe nucléaire |
| Taille | 0,2–10 µm | 10–100 µm |
| Ribosomes | 70S | 80S (cytoplasme), 70S (organites) |
| Mitochondries | ❌ | ✅ (animales, végétales, fungi) |
| Chloroplastes | ❌ (sauf cyanobactéries) | ✅ (cellules végétales) |
| Réticulum endoplasmique | ❌ | ✅ |
| Appareil de Golgi | ❌ | ✅ |
| Cytosquelette | Rudimentaire | Développé (actine, tubuline, filaments) |
| Division | Fission binaire | Mitose / Méiose |
| ADN | Circulaire, sans histones | Linéaire, avec histones |
Pas de paroi cellulaire. Pas de vacuole centrale. Centrioles présents. Lysosomes abondants. Forme variable.
Paroi de cellulose. Grande vacuole centrale. Chloroplastes. Plasmodesmes. Plastes (leucoplastes, chromoplastes).
Paroi de chitine. Vacuoles. Pas de chloroplastes. Levures (unicellulaires) ou hyphes (filamenteux).
Les organites sont des sous-compartiments intracellulaires spécialisés, délimités ou non par des membranes. Chacun assure une fonction spécifique dans l'économie de la cellule.
Fonction : « Centrale énergétique » — production d'ATP par phosphorylation oxydative. Cycle de Krebs, chaîne respiratoire.
Origine : Endosymbiose d'une α-protéobactérie (~2 Ga). ADN mitochondrial circulaire propre.
Structure : Double membrane (matrice, membrane interne avec crêtes, espace intermembranaire).
Fonction : Photosynthèse — conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique (glucides).
Origine : Endosymbiose d'une cyanobactérie (~1,5 Ga). Génome propre, ribosomes 70S.
Structure : Triple membrane (thylakoïdes dans le stroma), grana (empilements de thylakoïdes).
RE rugueux : ribosomes associés, synthèse et repliement des protéines sécrétées et membranaires.
RE lisse : synthèse lipidique, détoxification (CYP450), stockage Ca²⁺.
Fonction : Tri, modification (glycosylation, phosphorylation) et adressage des protéines et lipides.
Structure : Empilement de citernes membranaires (cis → médian → trans). Centre de tri cellulaire.
Poche d'hydrolases acides (pH ~4,8). Dégradation de macromolécules, autophagie, immunité (phagolysosomes). Spécifique des cellules animales.
β-oxydation des acides gras à très longue chaîne. Détoxification du H₂O₂ (catalase). Biosynthèse des plasmalogens et du cholestérol.
Occupe 90 % du volume cellulaire adulte. Turgescence (maintien forme), stockage eau, ions, pigments, métabolites secondaires. Tonoplaste (membrane).
80S (60S + 40S) dans le cytoplasme. Synthèse de toutes les protéines. Peut être libre (protéines cytoplasmiques) ou associé au RE rugueux (protéines sécrétées).
Frontière dynamique entre l'intérieur de la cellule et le milieu extérieur. Décrite par le modèle de la mosaïque fluide (Singer & Nicolson, 1972).
| Type | Mécanisme | Énergie | Exemples |
|---|---|---|---|
| Diffusion simple | Gradient concentration | Non | O₂, CO₂, lipides |
| Diffusion facilitée | Protéines canal/transporteur | Non | Glucose (GLUT), eau (aquaporines) |
| Transport actif primaire | Pompe consommatrice d'ATP | Oui (ATP) | Na⁺/K⁺-ATPase, Ca²⁺-ATPase |
| Transport actif secondaire | Cotransport (gradient ionique) | Indirect | SGLT1 (glucose+Na⁺), symports |
| Endocytose | Invagination membranaire | Oui | Phagocytose, pinocytose, RME |
| Exocytose | Fusion vésiculaire | Oui | Sécrétion neurotransmetteurs |
ADN → (Transcription) → ARNm → (Traduction) → Protéine
Croissance cellulaire, synthèse protéique. Point de contrôle G1 (restriction) : décision de s'engager dans le cycle. CDK4/6 — Cycline D.
Réplication de l'ADN. Duplication des centrosomes. Le génome entier (3×10⁹ pb) est répliqué en ~6–8 heures via ~50 000 origines de réplication.
Vérification de la réplication. Préparation à la division. Point de contrôle G2. CDK1 — Cycline B (MPF).
Prophase → Métaphase → Anaphase → Télophase → Cytocinèse. Séparation des chromatides sœurs. Durée ~1 h sur un cycle de ~24 h.
| Point de contrôle | Localisation | Ce qu'il vérifie | Gardien |
|---|---|---|---|
| Restriction (G1/S) | Fin G1 | Taille cellule, signaux mitogènes, intégrité ADN | p53, Rb, CDK4/6 |
| G2/M | Fin G2 | Réplication complète, dommages ADN | CHK1/2, CDK1-CycB |
| Assemblage fuseau (SAC) | Métaphase | Attachement correct kinétochore-microtubule | Mad1, Mad2, BubR1 |
Les cancers résultent d'une accumulation de mutations dans des gènes régulant le cycle cellulaire : proto-oncogènes (gaz) et gènes suppresseurs de tumeur (freins). Exemple : p53 muté dans ~50 % des cancers humains.
Les cellules communiquent constamment par des signaux chimiques pour coordonner croissance, différenciation, métabolisme et mort cellulaire.
Hormone sécrétée dans le sang, cible distante. Ex : insuline, cortisol, hormones thyroïdiennes. Réponse lente mais durable.
Signal diffusant localement vers cellules voisines. Ex : facteurs de croissance (EGF, FGF), cytokines, histamine dans l'inflammation.
La cellule répond à ses propres signaux. Fréquent dans l'immunité (IL-2 et lymphocytes T). Amplifie les réponses cellulaires.
Neurotransmetteur libéré dans la fente synaptique. Réponse ultra-rapide (ms). Glutamate, GABA, acétylcholine, dopamine.
| Voie | Récepteur | Messagers secondaires | Effets |
|---|---|---|---|
| RCPG | 7 passages TM | AMPc, IP₃/DAG, Ca²⁺ | Métabolisme, sécrétion, contraction |
| RTK (MAPK) | Tyrosine kinase | Ras-ERK | Prolifération, différenciation |
| PI3K/Akt/mTOR | RTK, RCPG | PIP₃, Akt | Survie, croissance, métabolisme |
| JAK-STAT | Cytokine | STAT phosphorylée | Immunité, hématopoïèse |
| Wnt / β-caténine | Frizzled | β-caténine nucléaire | Développement, cellules souches |
| Notch | Notch (contact) | NICD nucléaire | Différenciation, frontières tissulaires |
Glucose → 2 pyruvate. Gain : 2 ATP + 2 NADH. Anaérobie. Point d'entrée de tous les glucides. Régulée par PFK-1.
Acétyl-CoA → CO₂ + H₂O. Gain : 2 ATP + 8 NADH + 2 FADH₂ par glucose. Carrefour métabolique (glucides, lipides, acides aminés).
Chaîne de transport d'électrons + ATP synthase. Gradient de H⁺. ~34 ATP par glucose. Efficacité ~40 % (thermodynamique). Total : ~36–38 ATP/glucose.
Capture de la lumière par chlorophylles. Photolyse de l'eau (O₂ libéré). Chaîne photosynthétique (PSI + PSII). Synthèse ATP + NADPH.
Fixation du CO₂ par RubisCO. 3 CO₂ + ATP + NADPH → glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Bilan : 6 CO₂ → 1 glucose.
Robert Hooke observe des « cellulae » (petites pièces) dans du liège au microscope. Premier usage du mot « cellule ».
Leeuwenhoek observe les premières cellules vivantes : globules rouges, bactéries, spermatozoïdes.
Schleiden & Schwann formulent la théorie cellulaire : tous les êtres vivants sont composés de cellules.
Virchow complète : « Omnis cellula e cellula » — toute cellule provient d'une cellule.
Watson & Crick : double hélice de l'ADN. Fondation de la biologie moléculaire.
Singer & Nicolson : modèle de la mosaïque fluide de la membrane plasmique.
GFP (Green Fluorescent Protein) introduite en biologie cellulaire (Chalfie, Prasher, Tsien). Nobel 2008. Révolution de l'imagerie du vivant.
Shinya Yamanaka reprogramme des cellules somatiques en cellules souches pluripotentes induites (iPSC). Prix Nobel 2012. Médecine régénératrice.
Séquençage unicellulaire (scRNA-seq), microscopie super-résolution (STORM, PALM, STED), cartographie complète des types cellulaires humains (Human Cell Atlas).
Lancé en 2016, ce consortium international ambitionne de cartographier tous les ~37 000 milliards de cellules du corps humain — leur type, leur état, leur localisation, leurs interactions. Grâce au séquençage unicellulaire, plus de 500 types cellulaires distincts ont déjà été identifiés, transformant notre compréhension des maladies et ouvrant des voies thérapeutiques inédites.