Exercices: La théorie cellulaire et les types de cellules

Énoncer les trois postulats de la théorie cellulaire et indiquer laquelle de ces affirmations la contredit, en justifiant votre choix : a) tous les êtres vivants sont constitués d'une ou plusieurs cellules ; b) certaines cellules peuvent apparaître par génération spontanée à partir de matière inerte ; c) la cellule est l'unité fonctionnelle des êtres vivants ; d) toute cellule provient d'une autre cellule préexistante.

Classer les organismes et cellules suivants en procaryotes ou eucaryotes, en justifiant brièvement votre choix : une cyanobactérie, une amibe, une cellule de votre peau, la bactérie du yaourt, une levure et une algue verte.

Classer les niveaux d'organisation de la matière vivante suivants du moins complexe au plus complexe et définir chacun en une phrase : organe, cellule, tissu, organite et organisme.

Le schéma compare deux types d'organisation cellulaire, A et B. Indiquer lequel correspond à une cellule procaryote et lequel à une cellule eucaryote, identifier les structures signalées par ? et expliquer quelle implication a pour la cellule la différence observée dans l'organisation de son matériel génétique.

Comparer une cellule procaryote et une cellule eucaryote en considérant leur taille habituelle, la présence d'un noyau et d'organites membranaires, et la forme de leur ADN. Expliquer, à partir de cette comparaison, où les cyanobactéries réalisent la photosynthèse si elles n'ont pas de chloroplastes.

L'apparition des organites membranaires a été une étape majeure de l'évolution de la cellule. Expliquer quels avantages offre la division de l'intérieur cellulaire en compartiments délimités par des membranes et donner deux exemples concrets de processus qui en bénéficient.

Dans un laboratoire de biologie cellulaire, on analyse l'effet de deux antibiotiques sur une culture de cellules eucaryotes animales : le cycloheximide (inhibiteur de la traduction dans les ribosomes 80S) et le chloramphénicol (inhibiteur de la traduction dans les ribosomes 70S). Les résultats montrent que le cycloheximide arrête la synthèse de protéines dans le cytosol mais pas à l'intérieur des mitochondries, tandis que le chloramphénicol bloque spécifiquement la synthèse protéique mitochondriale sans affecter la synthèse cytosolique. À partir de ces données et dans le cadre de la théorie endosymbiotique :

1. a) Justifier les résultats observés avec les deux antibiotiques et indiquer quel organite végétal présenterait une réponse analogue à celle de la mitochondrie face au chloramphénicol.
2. b) Un chercheur affirme que les mitochondries sont des bactéries totalement autonomes qui pourraient survivre et se diviser indéfiniment si on les isolait dans un milieu extracellulaire adapté. Réfuter son affirmation en expliquant la relation évolutive entre le génome mitochondrial et le génome nucléaire.
3. c) Prévoir quelles différences fondamentales on peut attendre entre la membrane mitochondriale interne et la membrane externe quant à leur composition lipidique et à la présence de porines, et expliquer comment cette asymétrie soutient le mécanisme d'endosymbiose proposé par Lynn Margulis.
4. d) Indiquer vers quels groupes bactériens ancestraux précis l'analyse phylogénétique moléculaire désigne l'origine des mitochondries et des chloroplastes.

Dans des sédiments marins profonds, on a découvert une entité microscopique (« particule Z ») entourée d'une bicouche lipidique et contenant un génome d'ADN bicaténaire de 1,2 Mb avec des gènes permettant de synthétiser plusieurs acides aminés et des ARNt propres. Elle est cependant dépourvue de machinerie pour synthétiser l'ATP, de ribosomes et de capacité à se diviser de façon autonome en dehors de son hôte cellulaire. Un titre de vulgarisation affirme : « Découverte d'une nouvelle cellule qui brouille la frontière entre virus et bactéries ».

Réfuter le titre journalistique en appliquant rigoureusement les postulats de la théorie cellulaire et le concept biologique de vie. Justifier pourquoi la présence de gènes métaboliques ne fait pas de cette particule une cellule indépendante et expliquer pourquoi ce type d'entités biologiques est étudié en biologie.

Un groupe d'élèves tente de reproduire la célèbre expérience de Pasteur : ils font bouillir du bouillon nutritif pendant 10 minutes dans un ballon à col de cygne et le laissent au repos sans y toucher. Au bout de quatre jours, le bouillon se trouble et ils détectent une prolifération bactérienne (bacilles sporulés du genre Bacillus). Un élève conclut : « Cela démontre que Pasteur s'est trompé et que la génération spontanée existe bel et bien si le milieu est assez riche ».

Réfuter l'affirmation de l'élève en expliquant quelle erreur méthodologique a été commise en reproduisant le protocole de Pasteur et pourquoi la présence de spores bactériennes ne valide pas la génération spontanée. Enfin, analyser le paradoxe apparent que pose le postulat « toute cellule provient d'une autre cellule » face aux théories scientifiques actuelles sur l'origine prébiotique de la première cellule vivante.