Exercices: Types de cellules : procaryote et eucaryotes

Toutes les cellules, quel que soit leur type, partagent trois éléments de base. Les indiquer et expliquer quelle fonction remplit chacun.

Sur le schéma d'une cellule eucaryote animale, le numéro 1 désigne une grande structure sphérique située dans la zone centrale, tandis que le numéro 2 désigne un organite ovale avec des replis ou crêtes à l'intérieur. Indiquer quel numéro désigne le noyau et quel numéro désigne une mitochondrie, et expliquer la fonction de ces deux structures.

Expliquer quelle est la différence fondamentale entre une cellule procaryote et une cellule eucaryote, et donner un exemple d'être vivant pour chaque type de cellule.

Expliquer ce qu'est le noyau de la cellule, ce qu'il contient et quels types de cellules en possèdent un.

Quelle fonction remplit la membrane cellulaire ? Expliquer ce qui se passerait si la cellule la perdait, en le comparant à ce que représenterait pour vous la perte de la peau.

À quoi servent les mitochondries ? Raisonner pour dire dans quelles cellules de votre corps elles sont, selon vous, très abondantes.

En observant au microscope un échantillon de cellules de votre joue et un autre de cellules d'oignon, on remarque des différences. Indiquer deux différences de forme et de structure entre les deux et expliquer à quel type de cellule eucaryote appartient chacune.

Quel organite rend vertes les parties vertes des plantes ? Expliquer quel processus s'y déroule et pourquoi il est si important pour la vie sur Terre.

Dans une cellule végétale, indiquer la fonction de la paroi cellulaire, d'un chloroplaste et de la vacuole centrale, et expliquer pourquoi ces trois structures n'apparaissent pas dans une cellule animale.

Élaborer un tableau comparatif de la cellule animale et de la cellule végétale avec les lignes suivantes : paroi cellulaire, chloroplastes, vacuoles et forme habituelle de la cellule.

Où se trouve le matériel génétique (ADN) dans une cellule eucaryote et où dans une cellule procaryote ? Quelles conséquences cette différence a-t-elle sur l'organisation interne de chaque type de cellule ?

Les cellules végétales possèdent une paroi rigide que les cellules animales n'ont pas. Expliquer quel avantage la paroi apporte à une plante qui n'a pas de squelette, et comment les animaux compensent cette absence.

La vacuole centrale d'une cellule végétale peut occuper la plus grande partie de son intérieur. Expliquer ce qu'elle contient, quelles fonctions elle remplit (stocker de l'eau et des substances, maintenir la cellule ferme) et ce qui arrive à une plante lorsque ses vacuoles perdent de l'eau.

Réaliser deux dessins schématiques, l'un d'une cellule animale et l'autre d'une cellule végétale, avec au moins quatre légendes sur chacun ; puis expliquer en une phrase la différence la plus importante entre les deux dessins.

Les bactéries n'ont pas de mitochondries et pourtant elles aussi obtiennent de l'énergie à partir des aliments. Raisonner pour expliquer comment une cellule sans organites entourés d'une membrane peut réaliser les mêmes fonctions vitales qu'une cellule eucaryote, et dire où, selon vous, ces processus se déroulent à l'intérieur de la bactérie.

Si le noyau était le « bureau de direction » d'une usine et le cytoplasme l'« atelier », expliquer ce que cette analogie a de pertinent (ordres, information, travail) et une limite importante.

Dans un laboratoire, trois échantillons cellulaires non étiquetés (A, B et C) provenant de trois tissus différents ont été mélangés : le muscle de l'aile d'un moineau, le pétale blanc d'une marguerite et une feuille verte d'épinard.

En les observant au microscope, on relève les caractéristiques suivantes :

• Échantillon A : cellules allongées, à très forte consommation d'énergie, sans paroi cellulaire ni chloroplastes, et remplies de mitochondries.

• Échantillon B : cellules avec une paroi cellulaire rigide, une grande vacuole centrale et des centaines de chloroplastes.

• Échantillon C : cellules végétales avec paroi et vacuoles développées, mais sans aucun chloroplaste et avec peu de mitochondries.

1. a) Identifier de façon argumentée à quel tissu et à quel être vivant appartient chaque échantillon, en justifiant votre choix à partir de la présence, de l'absence et de l'abondance de chaque organite.
2. b) Prévoir ce qui arriverait aux cellules de l'échantillon B si la plante était maintenue dans une pièce sombre pendant trois semaines : pourraient-elles continuer à produire du glucose ? Leurs mitochondries cesseraient-elles immédiatement de fonctionner ? Justifier votre réponse.

Une bactérie mesure environ $2\ \mu\text{m}$ de long et une cellule animale environ $20\ \mu\text{m}$ de diamètre. Calculer combien de bactéries alignées occuperaient le diamètre d'une cellule animale. En supposant que les deux soient sphériques, calculer aussi la surface de la membrane de chacune avec la formule $S = 4\pi r^2$ et déterminer combien de fois celle de la cellule animale est plus grande. Utiliser les deux résultats pour expliquer pourquoi les cellules eucaryotes peuvent se permettre d'être beaucoup plus grandes et quel problème la taille leur pose pour échanger des substances avec l'extérieur.

Contrairement aux êtres humains (dont les globules rouges matures perdent leur noyau), les amphibiens et les oiseaux ont des globules rouges qui conservent leur noyau toute leur vie.

1. a) En comparant deux globules rouges de même volume, l'un humain et l'autre de grenouille, le globule humain peut contenir une quantité nettement plus grande d'hémoglobine (la protéine qui transporte le dioxygène). Justifier à quoi est due cette avantage fonctionnel à l'échelle cellulaire.
2. b) Lors d'une expérience en laboratoire, on soumet les deux types de globules rouges à une substance qui abîme lentement les protéines de leur membrane cellulaire. Les globules rouges de grenouille parviennent à fabriquer de nouvelles protéines pour réparer la membrane et continuer à vivre, alors que les globules humains ne peuvent pas se réparer et meurent au bout de quelques jours sans pouvoir se diviser. Expliquer la cause biologique de ce fait en reliant le rôle du noyau et de l'ADN à la capacité d'autoréparation et de reproduction cellulaire.

Vous observez au microscope optique une goutte d'eau stagnante. Le champ de vision circulaire que vous voyez à travers l'oculaire mesure $1\ \text{mm}$ de diamètre ($1000\ \mu\text{m}$). Vous y distinguez une amibe unicellulaire d'environ $200\ \mu\text{m}$ et plusieurs bactéries allongées d'environ $2\ \mu\text{m}$.

1. a) Calculer combien de bactéries alignées en file il faudrait pour traverser d'un bord à l'autre le diamètre du champ de vision du microscope, et combien d'amibes il en faudrait pour faire de même.
2. b) Le pouvoir de résolution de l'œil humain (la distance minimale entre deux points pour les distinguer séparément) est d'environ $0,1\ \text{mm}$ ($100\ \mu\text{m}$). Justifier avec des données numériques pourquoi une personne ayant une bonne vue pourrait deviner l'amibe à l'œil nu comme une minuscule tache, alors que pour voir la bactérie le microscope est strictement indispensable.
3. c) Si une amibe et une bactérie sont toutes deux des organismes unicellulaires, pourquoi une bactérie procaryote typique aurait-elle beaucoup de mal à grandir jusqu'à atteindre la taille d'une amibe de $200\ \mu\text{m}$ ? Expliquer quel problème aurait une bactérie géante pour échanger et distribuer les nutriments vers son centre sans organites ni systèmes de transport interne.

Un agriculteur réalise une expérience avec deux groupes de plants de haricot :

• Groupe 1 : cultivés en pots avec de la terre noire traditionnelle. Leurs racines sont entièrement blanches et leurs feuilles sont vertes.

• Groupe 2 : cultivés dans des tubes de verre transparent avec de l'eau et des sels minéraux dissous (hydroponie), de sorte que les racines reçoivent la lumière du soleil en continu. Au bout de deux semaines, ces racines sont devenues vert clair et contiennent des chloroplastes fonctionnels.

1. a) Sachant que toutes les cellules d'une même plante possèdent exactement le même ADN, justifier pourquoi les racines qui poussent sous terre ne dépensent pas d'énergie à former des chloroplastes et quel stimulus a provoqué leur apparition dans le groupe 2.
2. b) Un camarade affirme : « Comme les racines normales du groupe 1 n'ont pas de chloroplastes, elles n'ont pas besoin de respirer ni de consommer du dioxygène ; la respiration cellulaire est réservée aux feuilles ». Réfuter cette affirmation en expliquant d'où la racine tire l'énergie pour absorber l'eau et les sels, et prévoir ce qui arriverait à la plante si la terre était complètement inondée d'eau pendant de nombreux jours, empêchant l'entrée d'air.

Au laboratoire, vous disposez d'un microscope optique dont le pouvoir de résolution est de $0,2\ \mu\text{m}$ ($200\ \text{nm}$). Vous observez des cellules d'épiderme d'oignon et consultez ces données de taille moyenne :

• Cellule d'oignon : $150\ \mu\text{m}$

• Noyau : $10\ \mu\text{m}$

• Mitochondrie : $2\ \mu\text{m}$

• Ribosome : $0,025\ \mu\text{m}$ ($25\ \text{nm}$)

• Épaisseur de la membrane plasmique : $0,008\ \mu\text{m}$ ($8\ \text{nm}$)

1. a) Analyser les données et déduire de façon justifiée lesquelles de ces structures vous pourrez observer clairement avec votre microscope optique et lesquelles il sera impossible de voir avec lui, même en agrandissant l'image autant que l'on veut.
2. b) Un camarade rend son cahier de travaux pratiques avec un dessin de la cellule d'oignon vue au microscope sur lequel il a dessiné avec beaucoup de détails des dizaines de ribosomes flottant dans le cytoplasme et la double couche de lipides de la membrane. Justifier pourquoi le professeur lui dit que ce dessin n'est pas le fruit d'une observation réelle.
3. c) Quel type de microscope a-t-il fallu inventer pour découvrir et photographier les ribosomes ? Expliquer en quoi il se distingue principalement du microscope optique pour atteindre un tel niveau de détail.

Lors d'un débat en classe, un élève défend l'idée suivante : « Puisque toutes les cellules eucaryotes de notre corps possèdent les mêmes types d'organites, toutes les cellules en ont exactement la même proportion et fournissent un effort métabolique similaire ».

Pour réfuter son affirmation, vous disposez d'informations sur trois cellules humaines spécialisées :

• Cellule A (fibre du muscle cardiaque) : elle bat et pompe le sang sans relâche toute la vie.

• Cellule B (cellule du pancréas) : elle fabrique et sécrète dans le tube digestif des milliers de protéines digestives par minute, en les empaquetant dans des vésicules.

• Cellule C (macrophage, un globule blanc) : elle patrouille dans les tissus en englobant des bactéries et en les détruisant par digestion cellulaire interne.

1. a) Déduire et justifier quel organite spécifique (mitochondries, réticulum endoplasmique/appareil de Golgi, ou lysosomes) doit être particulièrement développé dans chacune de ces trois cellules pour qu'elles puissent remplir leur fonction.
2. b) Prévoir ce qui arriverait au cœur d'un patient si une toxine bloquait de façon sélective la fonction des mitochondries des cellules de type A.

Une équipe de médecine régénérative veut réparer le tissu musculaire du cœur d'un patient qui a subi un infarctus, où des milliers de cellules contractiles sont mortes. Pour tenter de reconstruire le tissu, on analyse trois types cellulaires possibles provenant du patient lui-même :

1. Des globules rouges matures.

2. Des cellules matures de la peau (cellules épithéliales).

3. Des cellules souches pluripotentes.

1. a) Justifier pourquoi les globules rouges matures sont totalement écartés pour ce traitement, compte tenu de leurs limites structurales et de leur capacité de division.
2. b) Les cellules de la peau ont bien un noyau et se divisent facilement. Pourquoi ne serviraient-elles pas non plus si on les injectait directement dans le cœur pour retrouver le battement ? Relier votre réponse au concept de différenciation et de spécialisation cellulaire.
3. c) Expliquer pourquoi les cellules souches sont la seule alternative valable. Quels changements fondamentaux devront-elles subir dans leur cytoplasme (quels organites devront-elles multiplier en grand nombre et quelle fonction devront-elles assumer) pour finir par se comporter comme des cellules cardiaques fonctionnelles ?