CELLULE PROCARYOTE: CARACTÉRISTIQUES, STRUCTURE CELLULAIRE, TYPES - LA BIOLOGIE - 2024

Les cellules procaryotes sont simples et sans noyau délimité par une structure de membrane plasmique. Les organismes associés à ce type de cellule sont unicellulaires, bien qu'ils puissent se regrouper et former des structures secondaires, telles que des chaînes.

Parmi les trois domaines de vie proposés par Carl Woese, les procaryotes correspondent aux bactéries et aux archées. Le domaine restant, Eucarya, est composé de cellules eucaryotes plus grandes et plus complexes avec un noyau délimité.

Cellule procaryote. Source: par Ali Zifan, de Wikimedia Commons

L'une des dichotomies les plus importantes dans les sciences biologiques est la distinction entre la cellule eucaryote et la cellule procaryote. Historiquement, un organisme procaryote est considéré comme simple, sans organisation interne, sans organites et dépourvu de cytosquelette. Cependant, de nouvelles preuves détruisent ces paradigmes.

Par exemple, des structures ont été identifiées chez les procaryotes qui peuvent potentiellement être considérées comme des organites. De même, des protéines homologues aux protéines des eucaryotes qui forment le cytosquelette ont été trouvées.

Les procaryotes sont très variés en termes de nutrition. Ils peuvent utiliser la lumière du soleil et l'énergie contenue dans les liaisons chimiques comme source d'énergie. Ils peuvent également utiliser différentes sources de carbone, telles que le dioxyde de carbone, le glucose, les acides aminés, les protéines, entre autres.

Les procaryotes se divisent de manière asexuée par fission binaire. Dans ce processus, l'organisme réplique son ADN circulaire, augmente son volume et se divise finalement en deux cellules identiques.

Cependant, il existe des mécanismes d'échange de matériel génétique qui génèrent de la variabilité chez les bactéries, comme la transduction, la conjugaison et la transformation.

Caractéristiques générales

Les procaryotes sont des organismes unicellulaires relativement simples. La caractéristique la plus frappante qui identifie ce groupe est l'absence d'un véritable noyau. Ils sont divisés en deux grandes branches: de vraies bactéries ou eubactéries et archéobactéries.

Ils ont colonisé presque tous les habitats imaginables, de l'eau et du sol à l'intérieur d'autres organismes, y compris les humains. Plus précisément, les archéobactéries habitent des zones avec des températures, une salinité et un pH extrêmes.

Structure

Cellule procaryote moyenne.

Le schéma architectural d'un procaryote typique est, sans aucun doute, celui d'Escherichia coli, une bactérie qui habite normalement notre tractus gastro-intestinal.

La forme de la cellule rappelle celle d'une tige et mesure 1 um de diamètre et 2 um de longueur. Les procaryotes sont entourés d'une paroi cellulaire, composée principalement de polysaccharides et de peptides.

La paroi cellulaire bactérienne est une caractéristique très importante et, en fonction de sa structure, elle permet d'établir un système de classification en deux grands groupes: les bactéries Gram positives et Gram négatives.

Suivi par la paroi cellulaire, on trouve une membrane (un élément commun entre procaryotes et eucaryotes) de nature lipidique avec une série d'éléments prothétiques incorporés en elle qui sépare l'organisme de son environnement.

L'ADN est une molécule circulaire située dans une région spécifique qui ne possède aucun type de membrane ou de séparation avec le cytoplasme.

Le cytoplasme présente une apparence rugueuse et compte environ 3 000 ribosomes - structures responsables de la synthèse des protéines.

Types de procaryotes

Les procaryotes actuels sont constitués d'une grande diversité de bactéries qui se divise en deux grands domaines: les eubactéries et les archéobactéries. Selon les preuves, ces groupes semblent avoir divergé très tôt dans leur évolution.

Les archéobactéries sont un groupe de procaryotes qui vivent généralement dans des environnements avec des conditions inhabituelles, telles que des températures ou une salinité élevée. Ces conditions sont rares aujourd'hui, mais peuvent avoir été répandues au début de la Terre.

Par exemple, les thermoacidophiles vivent dans des zones où la température atteint un maximum de 80 ° C et un pH de 2.

Les eubactéries, pour leur part, vivent dans des environnements communs à nous les humains. Ils peuvent habiter le sol, l'eau ou vivre dans d'autres organismes - comme des bactéries qui font partie de notre tube digestif.

Morphologie des procaryotes

Les bactéries se présentent dans une série de morphologies très variées et hétérogènes. Parmi les plus courants, nous avons les arrondis appelés noix de coco. Celles-ci peuvent se produire individuellement, par paires, en chaîne, en tétrades, etc.

Certaines bactéries sont morphologiquement similaires à une tige et sont appelées bacilles. Comme les noix de coco, ils peuvent être trouvés dans différents arrangements avec plus d'un individu. On trouve également des spirochètes en forme de spirale et ceux avec une forme de virgule ou de grain appelés vibrions.

Chacune de ces morphologies décrites peut varier entre différentes espèces - par exemple, un bacille peut être plus allongé qu'un autre ou avec des bords plus arrondis - et sont utiles pour identifier l'espèce.

la reproduction

Reproduction asexuée

La reproduction chez les bactéries est asexuée et se produit au moyen d'une fission binaire. Dans ce processus, l'organisme "se scinde en deux", ce qui donne des clones de l'organisme initial. Des ressources suffisantes doivent être disponibles pour que cela se produise.

Le processus est relativement simple: l'ADN circulaire se réplique, formant deux doubles hélices identiques. Plus tard, le matériel génétique est logé dans la membrane cellulaire et la cellule commence à se développer, jusqu'à ce qu'elle double de taille. La cellule se divise finalement et chaque partie résultante a une copie circulaire d'ADN.

Chez certaines bactéries, les cellules peuvent diviser le matériau et se développer, mais elles ne se divisent pas complètement et ne forment pas une sorte de chaîne.

Sources supplémentaires de variabilité génétique

Il y a des événements d'échange de gènes entre bactéries qui permettent le transfert génétique et la recombinaison, un processus similaire à ce que nous appelons la reproduction sexuée. Ces mécanismes sont la conjugaison, la transformation et la transduction.

La conjugaison consiste en l'échange de matériel génétique entre deux bactéries à travers une structure semblable à des poils fins appelés pili ou fimbriae, qui agit comme un «pont». Dans ce cas, il doit y avoir une proximité physique entre les deux individus.

La transformation implique la prise de fragments d'ADN nus trouvés dans l'environnement. C'est-à-dire que dans ce processus, la présence d'un deuxième organisme n'est pas nécessaire.

Enfin, nous avons la traduction, où la bactérie acquiert le matériel génétique à travers un vecteur, par exemple des bactériophages (virus qui infectent les bactéries).

Nutrition

Les bactéries ont besoin de substances qui garantissent leur survie et qui leur donnent l'énergie nécessaire aux processus cellulaires. La cellule absorbera ces nutriments par absorption.

De manière générale, on peut classer les nutriments comme essentiels ou basiques (eau, sources de carbone et composés azotés), secondaires (comme certains ions: potassium et magnésium) et oligo-éléments nécessaires à des concentrations minimales (fer, cobalt).

Certaines bactéries ont besoin de facteurs de croissance spécifiques, tels que des vitamines et des acides aminés et des facteurs stimulants qui, bien que non essentiels, contribuent au processus de croissance.

Les besoins nutritionnels des bactéries varient considérablement, mais leurs connaissances sont nécessaires pour pouvoir préparer des milieux de culture efficaces pour assurer la croissance d'un organisme d'intérêt.

Catégories de nutrition

Les bactéries peuvent être classées en fonction de la source de carbone qu'elles utilisent, qu'elle soit organique ou inorganique et en fonction de la source de production d'énergie.

Selon la source de carbone, nous avons deux groupes: les autotrophes ou lithotrophes utilisent du dioxyde de carbone et les hétérotrophes ou organotrophes qui nécessitent une source de carbone organique.

Dans le cas de la source d'énergie, nous avons également deux catégories: les phototrophes qui utilisent l'énergie du soleil ou l'énergie radiante, et les chimiotrophes qui dépendent de l'énergie des réactions chimiques. Ainsi, en combinant les deux catégories, les bactéries peuvent être classées en:

Photoautotrophes

Ils tirent leur énergie de la lumière du soleil - ce qui signifie qu'ils sont photosynthétiquement actifs - et leur source de carbone est le dioxyde de carbone.

Photohétérotrophes

Ils sont capables d'utiliser l'énergie radiante pour leur développement mais ils ne sont pas capables d'incorporer du dioxyde de carbone. Par conséquent, ils utilisent d'autres sources de carbone, telles que les alcools, les acides gras, les acides organiques et les glucides.

Chimioautotrophes

Ils tirent leur énergie de réactions chimiques et sont capables d'incorporer du dioxyde de carbone.

Chimiohétérotrophes

Ils utilisent l'énergie des réactions chimiques et le carbone provient de composés organiques, comme le glucose - qui est le plus utilisé - des lipides et aussi des protéines. Notez que la source d'énergie et la source de carbone sont les mêmes dans les deux cas, donc la différenciation entre les deux est difficile.

Généralement, les microorganismes considérés comme des pathogènes humains appartiennent à cette dernière catégorie et utilisent les acides aminés et les composés lipidiques de leurs hôtes comme source de carbone.

Métabolisme

Le métabolisme comprend toutes les réactions chimiques complexes catalysées par des enzymes qui ont lieu à l'intérieur d'un organisme afin qu'il puisse se développer et se reproduire.

Chez les bactéries, ces réactions ne diffèrent pas des processus de base qui se produisent dans des organismes plus complexes. En fait, nous avons de multiples voies partagées par les deux lignées d'organismes, comme la glycolyse par exemple.

Les réactions du métabolisme sont classées en deux grands groupes: les réactions biosynthétiques ou anaboliques et les réactions de dégradation ou cataboliques, qui se produisent pour obtenir de l'énergie chimique.

Les réactions cataboliques libèrent de l'énergie de manière échelonnée que le corps utilise pour la biosynthèse de ses composants.

Différences fondamentales avec les cellules eucaryotes

Les procaryotes diffèrent des procaryotes principalement par la complexité structurelle de la cellule et les processus qui se produisent en son sein. Ci-dessous, nous décrirons les principales différences entre les deux lignées:

Taille et complexité

En général, les cellules procaryotes sont plus petites que les cellules eucaryotes. Les premiers ont des diamètres compris entre 1 et 3 µm, contrairement à une cellule eucaryote pouvant atteindre 100 µm. Cependant, il y a certaines exceptions.

Bien que les organismes procaryotes soient unicellulaires et que nous ne puissions pas les observer à l'œil nu (à moins que nous n'observions des colonies bactériennes, par exemple), nous ne devons pas utiliser de caractéristique pour distinguer les deux groupes. Chez les eucaryotes, nous trouvons également des organismes unicellulaires.

En fait, l'une des cellules les plus complexes sont les eucaryotes unicellulaires, puisqu'elles doivent contenir toutes les structures nécessaires à leur développement confinées dans une membrane cellulaire. Les genres Paramecium et Trypanosoma en sont des exemples notables.

D'autre part, il existe des procaryotes très complexes, comme les cyanobactéries (un groupe procaryote où l'évolution des réactions photosynthétiques a eu lieu).

Coeur

Le mot «procaryote» fait référence à l'absence de noyau (pro = avant; karyon = noyau) alors que les eucaryotes ont un vrai noyau (eu = vrai). Ainsi, ces deux groupes sont séparés par la présence de cet organite important.

Chez les procaryotes, le matériel génétique est distribué dans une région spécifique de la cellule appelée nucléoïde - et ce n'est pas un vrai noyau car il n'est pas limité par une membrane lipidique.

Les eucaryotes ont un noyau défini et entouré d'une double membrane. Cette structure est extrêmement complexe, présentant différentes zones à l'intérieur, comme le nucléole. De plus, cet organite peut interagir avec l'environnement interne de la cellule grâce à la présence de pores nucléaires.

Organisation du matériel génétique

Les procaryotes contiennent de 0,6 à 5 millions de paires de bases dans leur ADN et on estime qu'ils peuvent coder jusqu'à 5 000 protéines différentes.

Les gènes procaryotes s'organisent en entités appelées opérons - comme l'opéron lactose bien connu - alors que les gènes eucaryotes ne le font pas.

Dans les gènes, nous pouvons distinguer deux «régions»: les introns et les exons. Les premiers sont des parties qui ne codent pas pour la protéine et qui interrompent les régions codantes, appelées exons. Les introns sont communs dans les gènes eucaryotes mais pas chez les procaryotes.

Les procaryotes sont généralement haploïdes (une seule charge génétique) et les eucaryotes ont à la fois des charges haploïdes et polyploïdes. Par exemple, nous, les humains, sommes diploïdes. De même, les procaryotes ont un chromosome et les eucaryotes plus d'un.

Compactage du matériel génétique

Au sein du noyau cellulaire, les eucaryotes présentent une organisation ADN complexe. Une longue chaîne d'ADN (environ deux mètres de long) est capable de se tordre de manière à pouvoir être intégrée dans le noyau et, pendant les processus de division, elle peut être visualisée au microscope sous la forme de chromosomes.

Ce processus de compactage de l'ADN implique une série de protéines capables de se lier au brin et de former des structures qui ressemblent à un collier de perles, où le brin est représenté par l'ADN et les perles par des perles. Ces protéines sont appelées histones.

Les histones ont été largement conservées tout au long de l'évolution. En d'autres termes, nos histones sont incroyablement similaires à celles d'une souris, ou pour aller plus loin à celle d'un insecte. Structurellement, ils ont un nombre élevé d'acides aminés chargés positivement qui interagissent avec les charges négatives de l'ADN.

Chez les procaryotes, certaines protéines homologues aux histones ont été trouvées, qui sont généralement connues sous le nom d'histones. Ces protéines contribuent au contrôle de l'expression génique, de la recombinaison et de la réplication de l'ADN et, comme les histones chez les eucaryotes, participent à l'organisation du nucléoïde.

Organelles

Dans les cellules eucaryotes, une série de compartiments subcellulaires très complexes peuvent être identifiés qui remplissent des fonctions spécifiques.

Les plus pertinentes sont les mitochondries, responsables des processus de respiration cellulaire et de génération d'ATP, et chez les plantes les chloroplastes se distinguent, avec leur système à trois membranes et avec les mécanismes nécessaires à la photosynthèse.

De même, nous avons le complexe de Golgi, le réticulum endoplasmique lisse et rugueux, les vacuoles, les lysosomes, les peroxisomes, entre autres.

Structure du ribosome

Ribosomes

Les ribosomes comprennent la machinerie nécessaire à la synthèse des protéines, ils doivent donc être présents à la fois chez les eucaryotes et les procaryotes. Bien qu'il s'agisse d'une structure indispensable pour les deux, elle diffère principalement par sa taille.

Les ribosomes sont constitués de deux sous-unités: une grande et une petite. Chaque sous-unité est identifiée par un paramètre appelé coefficient de sédimentation.

Chez les procaryotes, la grande sous-unité est 50S et la petite sous-unité est 30S. La structure entière s'appelle le 70S. Les ribosomes sont dispersés dans tout le cytoplasme, où ils accomplissent leurs tâches.

Les eucaryotes ont des ribosomes plus gros, la grande sous-unité est 60S, la petite sous-unité est 40S et le ribosome entier est désigné par 80S. Ceux-ci sont situés principalement ancrés dans le réticulum endoplasmique rugueux.

Membrane cellulaire

La paroi cellulaire est un élément essentiel pour faire face au stress osmotique et sert de barrière protectrice contre d'éventuels dommages. Presque tous les procaryotes et certains groupes d'eucaryotes ont une paroi cellulaire. La différence réside dans sa nature chimique.

La paroi bactérienne est composée de peptidoglycane, un polymère constitué de deux éléments structuraux: la N-acétyl-glucosamine et l'acide N-acétylmuramique, liés entre eux par des liaisons de type β-1,4.

Au sein de la lignée eucaryote, il existe également des cellules de paroi, principalement dans certains champignons et dans toutes les plantes. Le composé le plus abondant dans la paroi des champignons est la chitine et dans les plantes, c'est la cellulose, un polymère composé de nombreuses unités de glucose.

Division cellulaire

Comme indiqué précédemment, les procaryotes se divisent par fission binaire. Les eucaryotes ont un système de division complexe qui implique différents stades de division nucléaire, que ce soit la mitose ou la méiose.

Phylogénie et classification

D'une manière générale, nous sommes habitués à définir une espèce selon le concept biologique proposé par E. Mayr en 1989: "des groupes de populations naturelles métissées isolées sur le plan reproductif d'autres groupes".

L'application de ce concept aux espèces asexuées, comme c'est le cas avec les procaryotes, est impossible. Par conséquent, il doit y avoir une autre manière d'aborder le concept d'espèce pour classer ces organismes.

Selon Rosselló-Mora et al. (2011), le concept phylo-phénétique correspond bien à cette lignée: «un ensemble monophylétique et génomiquement cohérent d'organismes individuels qui montrent un degré élevé de similitude générale dans de nombreuses caractéristiques indépendantes, et qui est diagnostiquable par une propriété phénotypique discriminante».

Auparavant, tous les procaryotes étaient classés dans un seul «domaine», jusqu'à ce que Carl Woese suggère que l'arbre de vie devrait avoir trois branches principales. Suite à cette classification, les procaryotes comprennent deux domaines: les archées et les bactéries.

Au sein des bactéries, nous trouvons cinq groupes: les protéobactéries, la chlamydia, les spirochètes cyanobactériens et les bactéries à Gram positif. De même, nous avons quatre groupes principaux d'archées: Euryarchaeota, TACK Group, Asgard et DPANN Group.

Nouvelles perspectives

L'un des concepts les plus répandus en biologie est la simplicité du cytosol procaryote. Cependant, de nouvelles preuves suggèrent qu'il existe une organisation potentielle dans les cellules procaryotes. Actuellement, les scientifiques tentent de briser le dogme de l'absence d'organites, de cytosquelette et d'autres caractéristiques dans cette lignée unicellulaire.

Organelles chez les procaryotes

Les auteurs de cette proposition très nouvelle et controversée assurent qu'il existe des niveaux de compartimentation dans les cellules eucaryotes, principalement dans des structures délimitées par des protéines et des lipides intracellulaires.

Selon les défenseurs de cette idée, un organite est un compartiment entouré d'une membrane biologique ayant une fonction biochimique spécifique. Parmi ces «organites» qui correspondent à cette définition, nous avons des corps lipidiques, des carboxy-somes, des vacuoles à gaz, entre autres.

Magnétosomes

Les magnétosomes sont l'un des compartiments les plus fascinants des bactéries. Ces structures sont liées à la capacité de certaines bactéries - telles que Magnetospirillum ou Magnetococcus - à utiliser des champs magnétiques pour s'orienter.

Structurellement, il s'agit d'un petit corps de 50 nanomètres entouré d'une membrane lipidique dont l'intérieur est composé de minéraux magnétiques.

Membranes photosynthétiques

De plus, certains procaryotes possèdent des «membranes photosynthétiques», qui sont les compartiments les plus étudiés dans ces organismes.

Ces systèmes visent à maximiser l'efficacité de la photosynthèse, à augmenter le nombre de protéines photosynthétiques disponibles et à maximiser la surface membraneuse exposée à la lumière.

Compartiments dans

Il n'a pas été possible de tracer un chemin d'évolution plausible de ces compartiments mentionnés ci-dessus aux organites très complexes des eucaryotes.

Cependant, le genre Planctomycetes a une série de compartiments à l'intérieur qui rappelle les organites eux-mêmes et peut être proposé comme l'ancêtre bactérien des eucaryotes. Dans le genre Pirellula, il y a des chromosomes et des ribosomes entourés de membranes biologiques.

Composants du cytosquelette

De même, il existe certaines protéines qui étaient historiquement considérées comme uniques aux eucaryotes, y compris les filaments essentiels qui font partie du cytosquelette: tubuline, actine et filaments intermédiaires.

Des recherches récentes ont réussi à identifier des protéines homologues à la tubuline (FtsZ, BtuA, BtuB et autres), à l'actine (MreB et Mb1) et aux filaments intermédiaires (CfoA).

Références

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