Compartimentation cellulaire

La compartimentation cellulaire en biologie

Lacompartimentation cellulaire est une caractéristique majeure des cellules eucaryotes, qui possèdent plusieurs compartiments différenciés formés par des organites membranaires et des membranes internes (Fig. 1). Cela permet à la cellule d'effectuer plus efficacement, diverses réactions métaboliques dans ces compartiments spécialisés.

Fig. 1 : Observe toutes les membranes internes et les organites que possèdent les cellules eucaryotes, comme les cellules animales et végétales illustrées ici, qui représentent des compartiments cellulaires séparés.

Les réactions et processus métaboliques nécessitent des environnements locaux spécifiques pour se dérouler, avec les molécules et enzymes appropriées et des conditions spécifiques, telles qu'un pH différent.

Les membranes cellulaires ne se contentent pas d'enfermer la cellule et les organites qui forment les compartiments internes, elles participent aussi activement à leurs fonctions. La membrane contrôle le passage des matériaux à l'intérieur et à l'extérieur de la cellule et des organites, et contient des enzymes intégrées ayant des fonctions spécifiques. La structure de base de la plupart des membranes biologiques est une double couche de phospholipides, dans laquelle sont intégrées diverses protéines (Fig. 2). La composition des lipides et des protéines varie selon la fonction de la cellule et de l'organite.

Bien que les procaryotes soient généralement dépourvus de membranes internes et d'organites délimités par une membrane, ils possèdent des régions internes où se concentrent des molécules et des matériaux cellulaires spécifiques. Certains groupes de procaryotes possèdent des compartiments délimités par une membrane ou des invaginations de la membrane cellulaire, mais ils servent surtout à stocker des matériaux et ne sont pas aussi complexes que chez les eucaryotes.

Fig. 3 : Les cellules procaryotes, comme les bactéries illustrées ici, ne sont pas compartimentées comme les cellules eucaryotes (bien que les matériaux et les molécules cellulaires puissent se concentrer dans certaines régions).

Exemples de compartiments cellulaires

Fondamentalement, chaque composant de la cellule qui a une fonction distinctive peut être un compartiment. Sur la base de leur fonction principale et de leurs interrelations, nous pouvons les classer en cinq groupes, représentant différents exemples de compartiments cellulaires :

Tableau 1 : Exemples de compartiments cellulaires.

Un compartiment cellulaire contient généralement le matériel et les molécules nécessaires uniquement à certains processus cellulaires. Il peut également maintenir une concentration de protons spécifique pour un environnement de pH requis.

Origine de la compartimentation cellulaire

La compartimentation des cellules a représenté un changement majeur de la structure, de l'organisation et de la fonction des cellules procaryotes aux cellules eucaryotes. Malgré l'importance de cet événement dans l'évolution des cellules, les origines de la compartimentation cellulaire ne sont pas bien comprises et il s'agit actuellement d'un domaine de recherche et de discussion prolifique. Si l'origine bactérienne endosymbiote de la mitochondrie et du chloroplaste est aujourd'hui largement acceptée, le développement de compartiments cellulaires tels que le système endomembranaire et le noyau reste plus mystérieux.

Fig. 4. Ce schéma de la théorie endosymbiotique relève des modèles d'endosymbiose tardive, qui supposent généralement que l'hôte archéen était déjà complexe lorsqu'il a acquis un symbiote bactérien. Ainsi, selon ces modèles, le développement des membranes internes a été quelque peu antérieur à l'événement endosymbiotique.

Modèles de compartimentation cellulaire

De nombreuses hypothèses proposent différents modèles pour les processus évolutifs qui ont conduit au dernier ancêtre commun des eucaryotes (LECA), le dernier organisme unicellulaire qui possédait tous les traits caractéristiques d'une cellule eucaryote et dont sont issus tous les eucaryotes modernes.

Le débat tourne principalement autour de la séquence et de la chronologie dans lesquelles les différents compartiments se sont développés. Une question importante est de savoir quand l'acquisition de l'endosymbion mitochondrial ancestral s'est produite et quel était le niveau de complexité de l'hôte archéon ancestral à ce moment-là. Cela est important car, selon l'ordre d'apparition, l'origine et la formation des membranes internes et la façon d'acquérir et de conserver un endosymbionte auraient pu être complètement différentes.

Nous pouvons classer la plupart des modèles existants en deux groupes principaux, en fonction de la date proposée pour l'événement d'endosymbiose : les modèles d'endosymbiose précoce et les modèles d'endosymbiose tardive :

• Les modèles qui proposent la fusion précoce d'un archéon ancestral et d'une bactérie ancestrale ont donné naissance à la nouvelle cellule eucaryote. Le point essentiel est que l'hôte archéon avait une structure procaryote simple et que l'endosymbiose elle-même a favorisé le développement de membranes internes (ces modèles sont donc communément appelés symbiogenèse). Certains modèles plus récents suggèrent même que les membranes internes eucaryotes se sont formées à partir de vésicules sécrétées par la mitochondrie ancestrale elle-même dans le cytosol de l'hôte.

• Les modèles qui suggèrent une endosymbiose tardive proposent qu'un proto-eucaryote ait évolué à partir d'un archéon ancestral, développant une structure plus complexe avant l'événement d'endosymbiose. Il existe différentes propositions concernant la nature de ce proto-eucaryote, mais il aurait eu des formes plus simples de certaines des caractéristiques des eucaryotes modernes (membranes internes et cytosquelette, certains proposent également un noyau). Ces caractéristiques précoces auraient permis à un hôte ancestral de phagocyter un endosymbion bactérien. Les modèles supposent que les membranes internes ont été formées par des invaginations de la membrane de la cellule hôte de l'archée, c'est pourquoi ils sont communément appelés modèles autogènes.

Avantages de la compartimentation cellulaire

La compartimentation cellulaire a probablement apporté de nombreux avantages aux premiers eucaryotes, qui ont évolué vers une incroyable variété d'organismes (unicellulaires et multicellulaires) avec une égale variété de types de cellules et de fonctions. Les avantages de la compartimentation cellulaire ont probablement permis aux eucaryotes de rivaliser pour les ressources d'une manière différente de celle des procaryotes, et d'exploiter également de nouvelles ressources.

Tableau 2 : Quelques avantages que les compartiments peuvent apporter aux cellules eucaryotes par rapport aux cellules procaryotes.

Cependant, les procaryotes existent depuis plus longtemps que les eucaryotes et, même si tous les procaryotes ont une morphologie de base similaire, ils sont incroyablement diversifiés dans leur façon d'obtenir de l'énergie, dans les endroits qu'ils habitent et ils se reproduisent extrêmement vite.

Nous devrions donc considérer ces différences comme des modes d'existence distincts, présentant tous deux des avantages et des inconvénients en fonction des circonstances, mais au final, les deux types ont réussi à vivre et à prospérer sur terre.

Inconvénients de la compartimentation cellulaire

Si les cellules eucaryotes peuvent être plus efficaces dans certaines activités parce qu'elles effectuent plusieurs réactions en même temps dans des compartiments différents, elles ont aussi besoin de plus de points de contrôle et de mécanismes de régulation, ce qui ralentit certains processus par rapport aux procaryotes. Les inconvénients de la compartimentation cellulaire dans les cellules eucaryotes sont les suivants :

• Plus de besoins en énergie pour maintenir une cellule plus grande avec des composants biologiques et des organites plus complexes.
• Ladivision cellulaire est plus lente.
• L'expression des gènes prend plus de temps.