Lecytoplasme désigne le contenu d'unecellulevivante compris entre lamembrane plasmique et lenoyau d'une celluleeucaryote ou lenucléoïde d'une celluleprocaryote[1]. En d'autres termes, leprotoplasme délimité par lamembrane plasmique[2],[3] est constitué du cytoplasme et du noyau chez les cellules eucaryotes, du cytoplasme et du nucléoïde pour les cellules procaryotes. Il est constitué d'environ 80 % d'eau[4] et se définit comme uneémulsioncolloïdale à l'aspect granuleux constituée decytosol,solution aqueuse desels minéraux et de diverscomposés organiques qui, avec lecytosquelette, forme lehyaloplasme. Chez les eucaryotes, le cytoplasme comprend plusieursorganites comme lesréticulum endoplasmiques, desvacuoles, desmitochondries ou deschloroplastes formant lemorphoplasme, mais ne comprend pas le noyau (dont le contenu est appelénucléoplasme). Il comprend également desribosomes, qui ne sont pas considérés comme des organites. Chez les procaryotes, le cytoplasme englobe la totalité du matériel cellulaire contenu dans la membrane interne (ou cytoplasmique). Il ne contient pas d'organites mais des ribosomes, des substances de réserves, desplasmides et unchromosome circulaire.
Le cytoplasme peut se diviser et former à l'extérieur de la cellule une masse gélatineuse, appeléeectoplasme, et qui contribue au mouvement cellulaire. Il peut alors présenter à l'intérieur une zone plus fluide, appeléeendoplasme, où l'on trouve la majorité des organites[5]. Le cytoplasme est un milieu riche en nutriments qui traversent la membrane plasmique et migrent vers les organites.
Chez les eucaryotes, le cytoplasme est constitué d'un milieu plus ou moins homogène, le cytosol, dans lequel baignent les organites. Le cytoplasme se compose d'un réseau de membranes, connues sous le nom de réticulum endoplasmique (lisse et rugueux) qui servent de surface de travail pour toutes les activitésbiochimiques. Il contient une petite partie dugénome d'unorganisme. Même si la plus grande partie de ce génome est contenue dans le noyau cellulaire, certains organites du cytoplasme, lesmitochondries ou les chloroplastes (chez lesvégétaux), possèdent leur propreADN[6],[7]. Cegénome cytoplasmique se transmet la plupart du temps par voie maternelle (c'est-à-dire par legamète femelle).
Le cytoplasme est constitué d'un réseau defilamentsprotéinés qui confère à la cellule sa forme et son organisation interne et lui permet de se déplacer. Ces filaments forment lecytosquelette. On peut néanmoins rencontrer plusieurs types de filaments :
lesfilaments d'actine ou microfilaments, typiques des cellules musculaires ;
lesmicrotubules, qui apparaissent disséminées dans lehyaloplasme ou forment des structures plus complexes, comme les fuseaux achromatiques ;
À son tour, cette structure maintient un lien entre les protéines et génère des structures plus complexes et plus stables. Ils sont également responsables du mouvementcytologique.
Le milieu intracellulaire se compose d'un liquide appelé hyaloplasme ou cytosol, laquelle matrice contient desorganites. Beaucoup de processusbiochimiques, dont laglycolyse, se déroulent dans le cytoplasme.
Dans une cellule eucaryote, le cytosol peut occuper de 50 à 80 % du volume de la cellule. Le reste du volume est occupé par des molécules formant une suspension colloïdale. En règle générale, ces molécules sont en fait des macromolécules.
Étant un liquide aqueux, le cytosol ne présente pas de forme ou de structure stable, même si, temporairement, il peut prendre deux types d'aspect :
une consistance de gel (état gel) ;
une consistance de fluide (état sol).
Les changements de formes du cytosol permettent à la cellule de s'adapter aux nécessités métaboliques et joue également un rôle important lors du mouvement cellulaire.
Les ribosomes sont des granules cytoplasmiques présents dans toutes les cellules, mesurant environ une vingtaine de nanomètres. Par ailleurs, ils sont porteurs de l'ARN ribosomique. Les ribosomes ne sont pas des organites.
La synthèse de protéines se déroule dans ces ribosomes, au sein du cytoplasme[8]. L'ARN messager (ARNm) et l'ARN de transfert (ARNt) sont synthétisés dans lenoyau cellulaire avant d'être libérés dans le cytoplasme. L'ARN ribosomique (ARNr) est libéré dans le cytoplasme sous la forme d'une sous-unité ribosomique. Deux types de ces sous-unités peuvent alors se combiner avec des molécules d'ARNm pour former un ribosome actif[9].
Les ribosomes actifs peuvent alors soit rester en suspension dans le cytoplasme, soit se fixer sur leréticulum endoplasmique rugueux[10]. Ceux qui restent en suspension ont pour fonction principale de synthétiser les protéines suivantes :
Les protéines qui forment le cytosol ;
Les protéines qui construiront les éléments structuraux ;
Les protéines qui composent les éléments mobiles du cytoplasme ;
Les protéines membranaires et matricielles des peroxysomes.
Le ribosome se compose de deux parties, une sous-unité mineure et une sous-unité majeure, qui sortent chacune du noyau[11]. Des expériences ont montré qu'elles sont maintenues ensemble grâce à des charges, car lorsque l'on abaisse la concentration en ionsMg2+, les sous-unités tendent à se séparer.
Leslysosomes sont desvésicules sphériques dont le diamètre varie entre 0,1 et 1micromètre[12]. Ils contiennent près de cinquanteenzymes, pour la pluparthydrolysables en solutionacide. Les enzymes ont en effet besoin de cette solution acide pour avoir un fonctionnement optimal[13]. Les lysosomes permettent de maintenir ces enzymes à l'écart du reste de la cellule car, dans le cas contraire, ils pourraientréagir chimiquement avec les éléments et les organites de celle-ci.
Ils utilisent leurs enzymes pour recycler les différents organites de la cellule en les absorbant, en les assimilant puis en libérant ses composantes au sein du cytosol[13]. Ce processus est connu sous le nom d'autophagie, processus au cours duquel la cellule digère ses propres structures devenues inutiles. Ces structures sont englobées par des vésicules qui proviennent du réticulum endoplasmique et de l'appareil de Golgi, formant alors unautophagosome. Si celui-ci s'unit à un lysosome primaire, ils forment alors unautophagolysosome et suit le même processus que celui présenté précédemment.
Au cours de l'endocytose, les matériaux sont rassemblés à l'extérieur de la cellule, puis recouverts par la membrane plasmique, pour former unephagosome. Le lysosome s'unit au phagosome pour former alors unephagolysosome et déverse son contenu dans le lysosome après avoir été dégradé. Une fois hydrolysées, les molécules utiles sont libérées à l'intérieur de la cellule pour rejoindre lesvoies métaboliques. Le reste est éliminé parexocytose.
Les lysosomes déversent également leurs enzymes vers le milieu extérieur par exocytose, pour dégrader aussi d'autres structures.
Compte tenu de leur rôle, on en trouve beaucoup à l'intérieur desglobules blancs car ils permettent la dégradation des corps étrangers.
Lavacuole est une poche de liquide entourée d'une membrane. Dans unecellule végétale, on trouve une seule vacuole de grande taille, alors que dans une cellule animale, elles sont nombreuses et de petite taille. La membrane qui l'entoure est appelée tonoplaste.
La vacuole des cellules végétales contient unesolution desels minéraux,sucres, d'acides aminés et parfois depigments comme l'anthocyane. Elle permet non seulement d'agir comme une réserve alimentaire (de sucres et d'acides aminés), mais également de donner unepigmentation auxpétales (grâce à l'anthocyane) et de remplir la fonction des lysosomes grâce à ses enzymes.
Le rôle des vacuoles dans les cellules animales est d'agir comme un endroit où sont stockées les protéines[14]. Ces protéines sont conservées pour une utilisation ultérieure, ou plutôt pour être exportées en dehors de la cellule, par exocytose. Au cours de ce processus, les vacuoles fusionnent avec la membrane et son contenu est alors libéré à l'extérieur. La vacuole peut aussi fonctionner en endocytose. Le phénomène est alors inversé et des matériaux qui ne pouvaient pas franchir la membrane sont transportés à l'intérieur de la cellule[15].
Le réticulum endoplasmique est un système complexe de membranes reliées entre elles et qui forment un squelette cytoplasmique[16]. Il s'organise en un vaste système de canaux contenant des ribosomes. Sa forme peut varier car leur nature dépend de la disposition et de l'arrangement des cellules, qui peuvent être comprimées ou espacées.
Il s'agit d'un ensemble de cavités fermées aux formes très variables, allant de lames aplaties, jusqu'à des vésicules, en passant par des tubes enroulés à l'aspect sinueux. Ils communiquent les uns avec les autres et forment un réseau complètement isolé du hyaloplasme grâce à la membrane du réticulum endoplasmique. Par conséquent, le liquide cytoplasmique se divise en deux parties : l'espace citernal (oulumière) contenu à l'intérieur du réticulum endoplasmique et l'espace cytosolique à l'extérieur.
Les principales fonctions du réticulum endoplasmique sont les suivantes :
faire circuler des substances qui ne sont pas libérées dans le cytoplasme ;
Quand la membrane est entourée de ribosomes, on la qualifie deréticulum endoplasmique rugueux (RER)[17]. Le RER a pour fonction principale de synthétiser les protéines. Pour cette raison, il produit plus de cellule en croissance ou qu'il sécrète des enzymes[18]. De la même manière, si la cellule est abîmée, cela peut conduire à une augmentation de la synthèse protéinique pour permettre la réparation des dommages.
Les protéines sont transformées et déplacées dans une région du RER : l'appareil de Golgi.
En l'absence de ribosomes, on le qualifie deréticulum endoplasmique lisse (REL). Sa fonction principale est de produire les lipides de la cellule (en pratique, lesphospholipides et lecholestérol) qui forment les briques élémentaires des membranes cellulaires[13]. Le reste des lipides cellulaires (acide gras ettriglycéride) sont synthétisés dans lecytosol. C'est pour cette raison qu'il est plus abondant dans les cellules de sécrétion (telle que laglande sébacée). Cela reste rare malgré tout pour la plupart des cellules.
L'appareil de Golgi (du nom de son découvreur,Camillo Golgi) a une structure similaire à celle du réticulum endoplasmique, mais est plus compact que ce dernier. Il se compose de sacs en forme de disques et se situe à proximité du noyau cellulaire. Chaque pile de saccules s'appelle undictyosome[19]. Il mesure environ un micromètre de diamètre et se compose d'environ six saccules, alors que dans les cellules eucaryotes ce nombre peut atteindre la trentaine. L'extrémité de chaque dictyosome est évasée et entourée de vésicules qui ont soit fusionné avec, soit qui s'en sont séparées par gemmation[20].
Diagramme du système endomembraneux d'une cellule eucaryote.
L'appareil de Golgi est structurellement et biochimiquement polarisé. Il possède deux faces distinctes : le côtécis (ou de formation) et le côtétrans (ou de maturation)[21]. La facecis est située à proximité des membranes du réticulum endoplasmique. Ses membranes sont fines et sa composition est similaire à celles du réticulum. Elles sont entourées par des vésicules golgiennes, aussi appelé vésicules de transition qui sont issues du réticulum. La facetrans est généralement proche de la membrane du plasma. Ses membranes sont plus épaisses et similaires à celle du plasma. On trouve sur ces faces des vésicules plus grandes, les vésicules sécrétrices.
Leur rôle est de modifier les substances synthétisées dans le RER[22]. Ces transformations peuvent être une agrégation des restes deglucides pour obtenir une structure finale ou alors pour êtreprotéolysé et ainsi acquérir une conformation active. Par exemple, dans le RER des cellules acineuses dupancréas synthétisent lapro-insuline qui acquiert la conformation finale de l'insuline grâce aux transformations qu'elle subit dans l'appareil de Golgi. Les enzymes que l'on trouve à l'intérieur des dictyosomes sont capables de modifier des macromolécules parglycosylation (ajout de glucides) et parphosphorylation (ajout dephosphates). À cette fin, l'appareil de Golgi transporte certaines substances telles que desnucléotides et des sucres dans les organites du cytoplasme. Les protéines sont également marquées par des séquences de signaux qui déterminent leur destination finale, comme le mannose-6-phosphate qui est ajouté aux protéines des lysosomes. L'appareil de Golgi produit également les glycoprotéines nécessaires à la sécrétion qui permet d'ajouter un glucide à une protéine.
En outre, l'appareil de Golgi sécrète des enzymes, telles que les enzymes digestives du pancréas. Elles traversent tous les sacs de l'appareil et quand elles arrivent au niveau de la facetrans du dictyosome (sous la forme de vésicules de sécrétion), elles sont transportées vers leur destination finale, en dehors de la cellule, par exocytose. L'appareil de Golgi est le plus important des organites pour la synthèse des hydrates de carbone. Cette tâche est réalisée par des enzymes golgiennes grâce à un résidu dexylose. Parmi les autres fonctions de l'appareil de Golgi, on trouve également la séparation des glucides (comme ceux utilisés pour la réparation cellulaire), le transport et le stockage des graisses et la formation des lysosomes primitifs.
Lamitochondrie est un organite qui se trouve dans toutes les cellules eucaryotes, bien qu'elles puissent être absentes des cellules très spécialisées. Leur taille est généralement de cinq micromètres de large sur 0,2 µm d'épaisseur et possède une double membrane[23]. L'espace inter-membranaire a une composition similaire à celle duhyaloplasme. Le rôle de cet espace est principalement de produire des molécules qui servent deprécurseurs à labiosynthèse de macromolécules dans le hyaloplasme et d'être le lieu où se déroulent l'oxydation respiratoire et la synthèse des protéines mitochondriales. Cette dernière fonction se déroule de la même manière que la synthèse des protéines dans le hyaloplasme.
Les membranes de la mitochondrie sont constituées de phospholipides et de protéines, qui se combinent pour former un réticulum lipido-protéiné[23]. La membrane la plus externe contrôle l'entrée et la sortie de substances dans la cellule et sépare l'organite du hyaloplasme. La membrane externe contient des protéines de transport spécialisées qui permettent le passage de molécules ducytosol jusqu'à l'espace inter-membranaire[24]. Ces protéines forment de grands canaux d'eau ou deporines, qui rendent la membrane très perméable, contrairement à la membrane interne. La membrane est également constituée d'enzymes comme ceux qui activent l'oxydation desacides gras dans la matrice.
La membrane interne est repliée vers le centre de la mitochondrie ce qui donne lieu à des extensions, les crêtes mitochondriales ou encore cristae. Ceux-ci s'étendent sur toute la largeur de l'organite et présentent des granules à leur surface[24].De facto, c'est donc la membrane qui possède la plus grande surface, en raison de ces crêtes mitochondriales. C'est également la membrane cellulaire la plus riche en protéines. On y trouve notamment : les protéines qui forment lachaîne respiratoire transportant lesélectrons vers l'oxygène moléculaire, un complexe enzymatique appeléATP synthase, qui agit commecatalyseur lors de la synthèse de l'ATP, ainsi que des protéines de transport qui permettent le passage desions et desmolécules à travers lamembrane mitochondriale interne. Cette membrane présente l'avantage de ne pas avoir decholestérol entre seslipides et d'être riche en unphospholipide rare, lacardiolipine. D'une façon générale, sa fonction principale est d'être le lieu du processus respiratoire.
La mitochondrie se divise donc en deux espaces distincts : l'espace inter-membranaire et la matrice[25]. La matrice a une consistance de gel en raison de la présence d'une concentration élevée de protéines hydrosolubles et de 50 % d'eau. Par ailleurs, elle contient des molécules d'ADN (l'ADN mitochondrial) qui contiennent l'information pour synthétiser un bon nombre de protéines mitochondriales, des molécules d'ARN mitochondrial formant les ribosomes mitochondriaux (ou mitoribosomes), desions, ducalcium, desphosphates, de l'ADP, de l'ATP, descoenzymes A et une grande quantité d'enzymes.
Finalement, la mitochondrie permet non seulement l'oxydation dupyruvate enCO2 couplée à la réduction des porteurs électroniquesNAD+ etFAD (NADH et FADH2), mais également le transfert des électrons depuis le NADH et le FADH2 vers ledioxygène couplé à la génération d'uneforce proton-motrice, ou encore l'utilisation de l'énergie stockée dans le gradient électrochimique de protons pour la synthèse de l'ATP ducomplexe FO-F1.
Lesperoxysomes sont des microcorps à membrane sphérique, dont le diamètre est compris entre 0,15 et 1,7 micromètre. Ils se forment par gemmation à partir duréticulum endoplasmique lisse. Cesgranules n'ont pas de structure interne. Ils possèdent un grand nombre d'enzymes métaboliques, en particulier l'enzymecatalase, quicatabolise la dégradation duperoxyde d'hydrogène (d'où provient le nom de peroxysome). La dégradation du peroxyde d'hydrogène est représentée par l'équation :
Ils effectuent des réactions d'oxydation qui ne produisent pas d'énergie directement utilisable par le reste de lacellule (ils ne génèrent pas d'ATP)[25]. À l'intérieur des peroxysomes est également dégradée lapurine et, dans les plantes, elles sont impliquées dans laphotorespiration.
