Procaryotes, eucaryotes et virus

La cellule est la plus petite unité capable de vivre par elle-même : elle se nourrit, transforme de l'énergie et se reproduit. Tout être vivant est fait d'une cellule (unicellulaire) ou de plusieurs (pluricellulaire).

C'est la plus petite distance qui doit séparer deux points pour qu'on puisse encore les voir distincts. En dessous de cette distance, les deux points fusionnent en un seul aux yeux de l'observateur.

Le microscope photonique (ou optique) éclaire l'objet avec de la lumière : il montre cellules et bactéries. Le microscope électronique bombarde l'objet avec des électrons (bien plus « fins » que la lumière) : il descend jusqu'aux virus et aux grosses molécules.

Classe par taille croissante : acide aminé, enzyme, ribosome, virus du SIDA, mitochondrie, ovocyte.
Réponse : acide aminé $<$ enzyme $<$ ribosome $<$ virus du SIDA (VIH, $\sim110\,\mathrm{nm}$) $<$ mitochondrie ($\sim1\,\mathrm{\mu m}$) $<$ ovocyte ($\sim100\,\mathrm{\mu m}$).
Le piège : une enzyme est une protéine, donc plus grosse qu'un acide aminé isolé mais plus petite qu'un ribosome ; et un virus reste plus petit qu'un organite comme la mitochondrie.

Procaryote (pro = avant, karyon = noyau) : le matériel génétique est simplement regroupé dans une zone du cytoplasme, le nucléoïde, sans membrane qui l'isole.
Eucaryote (eu = vrai) : le matériel génétique est enfermé dans un organite entouré d'une membrane, le noyau.

Ne confonds jamais nucléoïde et noyau. Le nucléoïde (procaryote) est une région du cytoplasme, sans membrane. Le noyau (eucaryote) est un organite délimité par une double membrane percée de pores. « Pas de vrai noyau » est la signature du procaryote.

Chez le procaryote, l'ADN forme une unique molécule circulaire : le « chromosome bactérien ». S'y ajoutent souvent de petits anneaux d'ADN indépendants, les plasmides, qui portent des gènes accessoires (par ex. de résistance aux antibiotiques).

Trois questions, dans l'ordre :

1. Est-ce une cellule ? (membrane + cytoplasme + métabolisme) — Non $\rightarrow$ acaryote (virus). Oui $\rightarrow$ question 2.
2. Y a-t-il un vrai noyau ? — Non $\rightarrow$ procaryote (bactérie). Oui $\rightarrow$ eucaryote.
3. (Eucaryote) Paroi + chloroplastes ? $\rightarrow$ végétal ; sinon $\rightarrow$ animal.

Les bactéries sont les premiers organismes apparus sur Terre. Leur évolution dure depuis plus de $3.5\,\mathrm{text}$, ce qui explique qu'on les trouve dans presque tous les milieux (sol, eau, air, corps humain, sources chaudes…).

Clé de lecture (étiquettes de la figure en anglais $\rightarrow$ français) :

• Capsule $\rightarrow$ Capsule : couche visqueuse la plus externe, présente seulement chez certaines bactéries ; elle protège et fait adhérer.
• Cell wall $\rightarrow$ Paroi (peptidoglycane) : enveloppe rigide qui donne sa forme à la bactérie et résiste à la pression ; cible de nombreux antibiotiques.
• Plasma membrane $\rightarrow$ Membrane plasmique : double couche lipidique qui contrôle les échanges — et qui assure la respiration, faute de mitochondrie.
• Mesosome $\rightarrow$ Mésosome : repli (invagination) de cette membrane vers l'intérieur, qui augmente la surface disponible pour la respiration.
• Cytoplasm $\rightarrow$ Cytoplasme : le milieu interne, où tout se déroule.
• Ribosomes $\rightarrow$ Ribosomes (les petites billes) : seul organite du procaryote, présent par milliers ; il fabrique les protéines.
• DNA (nucleoid) $\rightarrow$ ADN, nucléoïde : l'unique molécule d'ADN circulaire, simplement pelotonnée dans une région du cytoplasme, sans membrane qui l'isole — donc pas de vrai noyau.
• Bacterial flagellum $\rightarrow$ Flagelle : long filament qui propulse la bactérie.
• Deux structures ne sont pas dessinées ici : les plasmides (petits anneaux d'ADN indépendants) et les pili (courts poils d'adhérence et d'échange d'ADN).

Le ribosome est le seul organite du procaryote, mais c'est un organite sans membrane. Erreur fréquente : croire qu'« un seul organite » signifie « une cellule quasi vide ». Le cytoplasme bactérien contient au contraire des milliers de ribosomes, l'ADN circulaire, souvent des plasmides, etc.

Le mycoplasme est l'une des plus petites bactéries connues. Sa particularité : il est dépourvu de paroi (no cell wall). Il n'a donc que sa membrane, son cytoplasme, ses ribosomes et son ADN — la preuve que la paroi, si fréquente, n'est pas obligatoire chez les procaryotes.

Sans noyau, la bactérie ne peut faire ni mitose ni méiose. Elle se reproduit de façon asexuée par scissiparité : elle duplique son ADN circulaire, puis se coupe en deux cellules-filles identiques. Une bactérie $\rightarrow$ deux bactéries.

Une seule bactérie ($N_0=1$) qui se divise toutes les $20\,\mathrm{min}$ donne, en $3\,\mathrm{h}$, $n=9$ divisions, soit $N = 2^{9} = 512$ bactéries. En $7\,\mathrm{h}$ ($n=21$), on dépasse déjà le million. Cette croissance exponentielle explique la rapidité d'une infection non traitée.

Avec les champignons et de petits animaux, les bactéries décomposent les organismes morts et les déchets. Elles transforment la matière organique (débris) en humus puis en matière minérale, réutilisable par les plantes. Sans elles, les cycles de la matière (carbone, azote) s'arrêteraient : pas de vie durable.

L'Homme exploite les bactéries dans de nombreux procédés :

• lait $+$ bactéries (bacilles) $\rightarrow$ yaourt, fromages ;
• pâte (farine) $+$ levures $\rightarrow$ fermentation $\rightarrow$ pain, bière, vin.

Les levures (eumycètes) qui font lever le pain sont des champignons : ce sont des eucaryotes, pas des bactéries. « Fermentation » n'est donc pas synonyme de « bactérie » : elle peut être l'œ uvre d'eucaryotes.

Certaines bactéries sont responsables d'infections. Le pneumocoque, par exemple, peut toucher plusieurs organes selon sa localisation :

• oreille moyenne $\rightarrow$ otite (surtout chez l'enfant) ; sinus $\rightarrow$ sinusite ;
• enveloppes du cerveau (méninges) $\rightarrow$ méningite ; sang $\rightarrow$ bactériémie ; poumons $\rightarrow$ pneumonie.

Du latin virus = « poison ». Un virus est un parasite absolu : il est incapable de se reproduire seul. Hors d'une cellule vivante, il est inerte. Pour se multiplier, il détourne à son profit la machinerie de la cellule hôte qu'il infecte.

Le virus est classé parmi les acaryotes (a- = sans) : il est dépourvu de noyau, d'organite et de métabolisme propre. Il possède seulement une information génétique (ADN ou ARN) enfermée dans une coque protéique.

Un virus n'est ni procaryote ni eucaryote : c'est un acaryote. Comme il n'a ni métabolisme ni capacité à se reproduire seul, on le situe à la frontière du vivant — beaucoup ne le considèrent pas comme un être vivant à part entière.

Le patrimoine génétique (ADN ou ARN) est protégé par une capside, une coque protéique qui facilite aussi la pénétration dans la cellule hôte. Certains virus portent en plus une enveloppe lipidique (empruntée à la membrane de l'hôte), hérissée de protéines (spicules).

Clé de lecture (étiquettes de la figure en anglais $\rightarrow$ français) :

• Head $\rightarrow$ Tête et Capsid $\rightarrow$ Capside : la coque protéique (un icosaèdre, dessiné ici en hexagone) qui protège le génome.
• dsDNA (double-stranded DNA) $\rightarrow$ ADN double brin : le programme génétique, enfermé dans la tête. Rappel : ADN ou ARN, jamais les deux.
• Internal core $\rightarrow$ cœ ur interne : empilement de protéines à la base de la tête, par lequel l'ADN sort.
• Connector $\rightarrow$ Connecteur : pièce de jonction entre la tête et la queue.
• Tail $\rightarrow$ Queue ; Tail tube $\rightarrow$ Tube de la queue (la « gaine ») : le canal par lequel l'ADN est injecté dans la bactérie.
• Tail fibres $\rightarrow$ Fibres caudales : les « pattes » qui reconnaissent puis agrippent la surface de la bactérie — c'est l'étape de fixation.
• gp10, gp14 à gp17 : simples noms des protéines du phage T7, hors programme — retiens les structures, pas ces codes.
• Ce virus est dit nu : il n'a que sa capside, sans enveloppe lipidique.

Un virus contient soit de l'ADN, soit de l'ARN — jamais les deux. C'est un critère de classification (virus à ADN vs virus à ARN, comme le VIH ou la grippe). À l'inverse, une cellule (procaryote ou eucaryote) contient toujours de l'ADN et de l'ARN.

Qu'il infecte une cellule animale, végétale ou une bactérie, un virus suit toujours le même cycle en trois temps : pénétration $\rightarrow$ multiplication $\rightarrow$ libération. On le détaille classiquement en cinq étapes.

Les antibiotiques ciblent des structures propres aux bactéries (paroi, ribosome bactérien, ADN circulaire). Un virus n'a rien de tout cela : il utilise la machinerie de nos cellules. D'où des traitements différents (antiviraux, vaccins) et l'inutilité des antibiotiques contre une infection purement virale.

Pour trancher n'importe quel cas d'examen, redescends l'arbre :

1. Pas de cellule, juste capside $+$ ADN/ARN $\Rightarrow$ acaryote (virus) — ni vivant à part entière, ni autonome.
2. Cellule sans noyau, ADN circulaire, ribosome unique $\Rightarrow$ procaryote (bactérie).
3. Cellule avec vrai noyau et organites $\Rightarrow$ eucaryote (animal, végétal, champignon, protiste).

• Nucléoïde $\neq$ noyau : le procaryote a de l'ADN, mais pas de vrai noyau.
• Le procaryote possède bien un organite : le ribosome (sans membrane).
• Un virus a de l'ADN ou de l'ARN, jamais les deux.
• Bactérie $\rightarrow$ scissiparité (asexuée) ; ni mitose ni méiose.
• Un virus est plus petit qu'une bactérie, elle-même plus petite qu'une cellule eucaryote.