Noyau cellulaire

Schéma du noyau cellulaire

Le noyau (au pluriel, nuclei) a une forme sphérique ou elliptique et est délimité par deux membranes (voir figures 1 et 2). Chacune de ces membranes est une bicouche phospholipidique, comme celle qui compose la membrane plasmique (la membrane plasmique a une bicouche, le noyau a deux bicouches)

La structure formée par les membranes bicouches interne (tournée vers l'intérieur du noyau) et externe (tournée vers le cytoplasme) s'appelle l'enveloppe nucléaire. La membrane externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique dans le cytoplasme, et les deux organites travaillent ensemble dans le cadre du système endomembranaire de la cellule.

Schéma du noyau d'une cellule eucaryote et de ses composants. Le réticulum endoplasmique est en continuité avec la membrane externe de l'enveloppe nucléaire

Il y a des pores nucléaires sur toute l'enveloppe nucléaire à travers lesquels les ions et les molécules se déplacent entre l'intérieur du noyau et le cytoplasme. Des protéines entourent chaque pore nucléaire, formant un complexe de pore qui contrôle le passage des protéines, des molécules d'ARN et des composants plus importants.

La partie interne de l'enveloppe nucléaire est recouverte par la lamina nucléaire (sauf à l'endroit où se trouvent les pores), une structure en forme de maille composée de filaments de protéines. La lamina soutient l'enveloppe nucléaire et maintient la forme du noyau.

On y trouve la plupart du matériel génétique de la cellule et un ou plusieurs nucléoles (singulier nucleolus) à l'intérieur du noyau. Le nucléole ressemble à une masse dense de granules et de fibres, non délimitée par une membrane. Cette masse est composée de régions de chromatine impliquées dans la synthèse des ribosomes, associées à des molécules d'ARN et à des protéines. Les composants nucléaires sont immergés dans un fluide semi-solide qui remplit l'intérieur du noyau, appelé nucléoplasme.

L'ADN des cellules eucaryotes (cellules de plantes, d'animaux, de champignons et de protistes) est organisé en plusieurs chromosomes linéaires. L'ADN est une molécule extrêmement large et fine qui pourrait facilement s'emmêler et se casser. Il est donc associé à des protéines qui l'aident à maintenir sa structure. Le complexe d'ADN et de protéines s'appelle la chromatine et constitue les chromosomes. Dans une cellule qui n'est pas en train de se diviser ou de se reproduire, les chromosomes sont un peu lâches et ressemblent à un agglomérat granuleux de fils. Ce n'est qu'au cours du processus de division que la chromatine se condense (elle s'enroule et s'épaissit) et devient visible (la figure 2, B-D, montre les noyaux de cellules végétales en train de se diviser).

On dit que le noyau contient la majeure partie du matériel génétique de la cellule(ADN nucléaire) car les mitochondries et les chloroplastes possèdent quelques gènes propres (ces deux organites sont très probablement issus de bactéries ancestrales vivant en liberté qui ont été englouties par une cellule hôte ancestrale par endosymbiose, et qui possédaient donc initialement leur propre matériel génétique).

Fonction du noyau cellulaire

Le noyau cellulaire a deux fonctions principales :

• Le stockage de la majeure partie du matériel génétique de la cellule.
• Laduplication du matérielgénétique (chromosomes) pendant l'interphase du cycle cellulaire, pour être distribué aux cellules filles lors de la division cellulaire (voir figure 2), y compris latranscription des spécifications pour la synthèse des protéines de l'ADN à l'ARN.

Figure 2. Coupe d'une pointe de racine d'oignon. Les noyaux cellulaires colorés sont visibles à différents stades du cycle cellulaire. A) interphase, B) stade précoce de la division cellulaire, C et D) cellules en cours de mitose. Source : modifié à partir de Berkshire Community College Bioscience Image Library, domaine public, flickr.com.

Le noyau est le centre de contrôle de la cellule parce qu'il renferme le matériel génétique, qui contient les informations spécifiant toute l'activité de la cellule. Un chromosome comprend des centaines, voire des milliers de petits segments contenant l'information génétique pour des caractéristiques spécifiques (par exemple, la couleur de la fourrure d'un animal). Chacun de ces segments est un gène. La séquence de nucléotides d'un gène fonctionne comme un code (appelé code génétique) pour la fabrication d'une protéine.

Les gènes ne synthétisent pas directement les protéines. Le processus qui permet de passer du gène à la protéine est appelé expression génétique (parce que les protéines sont l'expression correspondante des gènes) et comprend deux étapes, la transcription et la traduction. Le noyau est le lieu où se produit la transcription. Le noyau transcrit (ou copie) la séquence de nucléotides d'un gène en une séquence d'ARN correspondante, appelée ARN messager - ARNm - (rappelle-toi de la structure des acides nucléiques que l'ARN est similaire à une molécule d'ADN, sauf que dans l'ARN, la partie sucre est un ribose au lieu d'un désoxyribose et a une base uracile au lieu d'une thymine).

En d'autres termes, la séquence d'ADN sert de modèle qui est transcrit en ARNm. Ce segment d'ARNm quitte ensuite le noyau à travers les pores nucléaires et sera traduit en la protéine correspondante par les ribosomes dans le cytoplasme.

Le nucléole transcrit également les segments d'ADN qui codent pour l'ARN ribosomique -ARNr-. Comme son nom l'indique, l'ARNr participe à la production d'un autre organite de la cellule, le ribosome. Les protéines du cytoplasme pénètrent dans le noyau par les pores nucléaires et, dans le nucléole, sont assemblées avec les molécules d'ARNr pour former les sous-unités du ribosome. Les ribosomes sont composés d'une grande et d'une petite sous-unité. Les sous-unités ribosomiques quittent le noyau pour rejoindre le cytoplasme, où l'assemblage des ribosomes est terminé.

Toutes les enzymes et autres protéines nécessaires à l'intérieur du noyau (comme les protéines associées à l'ADN ou celles nécessaires à la fabrication des sous-unités du ribosome) sont synthétisées dans le cytoplasme par les ribosomes, puis pénètrent dans le noyau par les pores nucléaires. En revanche, les molécules d'ARN et les sous-unités ribosomiques synthétisées dans le noyau doivent sortir par les pores pour participer à la synthèse des protéines dans le cytoplasme.

Noyau des cellules végétales et animales : y a-t-il une différence ?

Toutes les cellules eucaryotes ont un noyau, y compris les cellules animales, végétales, fongiques et protistes. Il n'y a pas de différences majeures dans la structure ou les fonctions du noyau entre les organismes eucaryotes. Certaines cellules eucaryotes peuvent perdre leur noyau au cours de leur développement (comme les globules rouges chez les mammifères), ou parfois des erreurs se produisent pendant la division cellulaire, et l'une des cellules filles peut conserver ses deux noyaux tandis que l'autre n'en a pas (elle est anucléée).

Les cellules sanguines ont-elles un noyau ?

Les globules rouges matures des mammifères n'ont pas de noyau. Les globules rouges (GR), comme toutes les cellules eucaryotes, ont un noyau lorsqu'ils sont formés. Cependant, leur fonction est de transporter l'oxygène vers toutes les cellules de notre corps. Plus il y a d'hémoglobine (la molécule qui se lie à l'oxygène) dans un GR, plus il est efficace. C'est pourquoi les GR éjectent leur noyau et d'autres organites lorsqu'ils arrivent à maturité afin de laisser plus de place aux molécules d'hémoglobine.

Qu'est-ce que cela signifie pour une cellule de ne pas avoir de noyau ? Comme on pouvait s'y attendre, les fonctions du noyau ne sont pas assurées dans les GR matures. Ils ne transcrivent pas l'ADN en ARN et ne synthétisent pas de protéines (en conséquence, ils n'ont pas non plus la plupart des organites pour le faire). Les GR ne peuvent pas non plus se diviser et sont donc produits dans la moelle osseuse ; ils ont une durée de vie de 100 à 120 jours et sont continuellement remplacés. Les GR des autres vertébrés (poissons, reptiles, oiseaux) sont plus gros que ceux des mammifères et possèdent un noyau, mais il est inactif.

Références

Leslie Mounkes et Colin Stewart, Aging and nuclear organization : lamins and progeria, Current Opinion in Cell Biology, 2004.

Cristin Carr, Comment les globules rouges atomisent leurs noyaux, 10 février 2008. Institut Whitehead.

https://wi.mit.edu/news/how-red-blood-cells-nuke-their-nuclei