PACES UE2 Histologie-Embryologie été Année IPECO Dr. F. Pluciennik UE 2. La Cellule POITIERS. Tel :

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1 UE 2 La Cellule rue Victor Schoelcher POITIERS Tel : ipeco.poitiers@wanadoo.fr

2 La Cellule: Unité de matière vivante Une cellule est une unité de matière vivante, délimitée par une mb et contenant un cytoplasme et la machinerie de l hérédité constitué par l ADN. Tous les organismes vivants sont soit des cellules, soit des agrégats de cellules. Les cellules possèdent la capacité de: * Reproduction par division de la C * Métabolisme CR (synthèse d ATP) * Synthèse protéique nécessaire au fonctionnement cellulaire (transcription et traduction du matériel génétique) Il existe deux types fondamentaux de cellules selon qu elles possèdent ou non un noyau: Les Procaryotes dont l ADN est libre dans le cytoplasme (! ADN nu) (ex: les bactéries). Les Procaryotes sont des cellules plus primitives, qui sont apparues en premier au cours de l évolution Les Eucaryotes qui ont une organisation complexe, de nombreux organites bien déterminés et dont le noyau est entouré d une enveloppe nucléaire. Définition Cytoplasme & Cytosol Cytoplasme : désigne le contenu d une cellule vivante. Il s agit de la totalité du matériel cellulaire délimité par la mb plasmique Chez les procaryotes, le cytoplasme englobe la totalité du matériel cellulaire contenu dans la membrane plasmique. Il ne contient pas d organites mais des ribosomes, des substances de réserves, des plasmides et un chromosome bactérien circulaire. Chez les eucaryotes, le cytoplasme comprend plusieurs organites comme les ribosomes, les réticulum endoplasmiques, des vacuoles, des mitochondries ou des chloroplastes, mais ne comprend pas le noyau (dont le contenu est appelé nucléoplasme) Cytosol: fraction liquide du cytoplasme obtenue après centrifugation et élimination des organites (Centrifugation, puis on récupère le surnageant = cytosol) La cellule procaryote : Les procaryotes sont les organismes les plus simples. Les bactéries en sont le prototype. Ce sont des petites cellules de 1 à 5 μm. Elles sont constituées d un cytoplasme entouré par une membrane plasmique elle-même doublée par une paroi externe. Cette paroi est plus ou moins complexe selon les bactéries. La paroi des bactéries est composée de peptidoglycanes càd de polymères constituées de protéines et d oligosaccharides. La paroi protège la cellule. Elle permet le maintien de la forme cellulaire et empêche une absorption excessive d eau en milieu hypotonique. En fonction de l épaisseur de cette paroi on distingue les bactéries à gram et les bactéries à Gram +. La sensibilité des bactéries aux antibiotiques dépend souvent de la structure de la paroi. Cette paroi peut elle-même être doublée à l extérieur par une capsule protectrice gélatineuse de nature polysaccharidique De nombreuses bactéries possèdent également des excroissances diverses comme des pili et un ou plusieurs flagelles servant à la propulsion. Les cellules procaryotes sont dépourvues de compartiments internes distincts. Le cytoplasme des procaryotes renferme des ribosomes isolés ou organisés en polysomes, il présente des inclusions cytoplasmiques qui sont les réserves de la bactérie.

3 La production d énergie n est pas compartimentée. Elle se produit au niveau de la membrane plasmique, il en va de même pour de nombreuses réactions enzymatiques L ADN n est pas inclus dans un vrai noyau, il est circulaire dans le cytoplasme Les cellules procaryotes contiennent des quantités faibles d ADN, il peut être rattaché à des invaginations +/- complexes de la membrane plasmiques: mésosomes L ADN se concentre en une région particulière du cytoplasme dite nucléoïde L ADN d une cellule procaryote est nu alors que les chromosomes des cellules eucaryotes présentent ADN + protéines (histones) La cellule procaryote ne se divise pas par mitose Les 2 molécules d ADN qui résultent de la réplication se fixent à la mb plasmique en 2 points distincts de telle sorte que chaque cellule fille contienne une des copies. Un grand nombre de bactéries possèdent de l ADN extrachromosomique (= n appartenant pas au chromosome) ADN extrachromosomique : plasmides (petites molécules d ADN circulaire, bicaténaire), ils interviennent entre autre dans la synthèse de protéines responsables de résistance aux antibiotiques (ex: ampicilline, tétracycline). Les plasmides peuvent passer d une bactérie à l autre La cellule eucaryote Les cellules eucaryotes sont beaucoup plus complexes. Elles sont compartimentées grâce à un vaste réseau de mb intracellulaire et par de multiples organites qui assurent des fonctions spéciales. On distingue 2 types de cellules eucaryotes : les cellules animales et les cellules végétales qui diffèrent par leur structure et leur organisation.

4 La cellule eucaryote animale (20 µm) La cellule eucaryote Le cytoplasme n est pas aussi granulaire que celui des procaryotes, puisque la majeure partie de ses ribosomes sont rattachés au réticulum endoplasmique La membrane plasmique ressemble, dans sa fonction, à celle des procaryotes, avec quelques différences mineures dans sa configuration. La paroi cellulosique, quand elle existe (végétaux), est composée de polysaccharides, principalement la cellulose (paroi pectocellulosique) L ADN des eucaryotes est organisé en une ou plusieurs molécules linéaires. Ces molécules se condensent et s enroulent autour d histones pour donner les chromosomes lors de la division cellulaire. Tous les chromosomes de l ADN sont stockés dans le noyau séparés du cytoplasme par une enveloppe (double membrane nucléaire) Les eucaryotes ne possèdent pas de plasmides. Certaines cellules eucaryotes peuvent devenir mobiles, en utilisant des cils ou un flagelle (spz par ex). Leur flagelle est plus évolué que celui des procaryotes Les cellules eucaryotes présentent un cytosquelette formé de structures protéiques globulaires et filamenteuses, présentant de nombreux rôles: * Structural (maintien de la forme CR) * Organisation dynamique (positionnement des organites) * Déplacement CR, ancrage des C aux substrats (MEC) * Division CR Il est constitué de trois structures bien définies: * Les microfilaments d actine (périphérie, et au niveau des microvillosités) * Les microtubules (partent du centre organisateur) * Les filaments intermédiaires (partent des zones de contact C C et C substrat)

5 Cytosquelette Microfilament d Actine Actine F = polymère d actine G (globulaire) C est une double hélice flexible de 6 à 8 nanomètre de diamètre. Dans la cellule il y a un équilibre dynamique entre ces deux actines assemblage des microfilaments d actine régulé par des protéines de liaisons ce qui permet le tressage de câbles et de réseaux et l association de ces filaments à d autres structures cellulaires. Réseau d actine localisé sous al mb plasmique et soutient mécaniquement la mb Le degré de polymérisation de l actine va déterminer la forme cellulaire, la plasticité de la mb On trouve de l actine dans le cytosol au niveau cytoplasmique, elle va conférer au cytosol l aspect d un gel semi-liquide et cela va permettre l organisation dynamique de la cellule (positionnement organites ) Microtubules Point de départ: Centre organisateur puis rayonne vers la périphérie Constitué d un polymère de 2 tubulines : α et β Ils vont être capables de se polymériser et se dépolymériser continuellement, ils constituent un réseau dynamique qui va du centrosome vers la périphérie Ce réseau va déterminer la forme cellulaire et sert d échafaudage interne nécessaire au déplacement et au positionnement des organites et autres composants cellulaires Les microtubules sont des constituant du fuseau de division, et ils constituent une partie importante des cils et des flagelles. Filaments Intermédiaires Fibres protéiques solubles et insolubles. Aspect d une corde torsadée qui possède une grande résistance aux forces de tension. Ce sont les éléments les plus stables du cytosquelette D un point de vue biochimique, les FI st regroupés en différentes classes en fonctions du monomère qui les constitue. Présence de kératine dans les cellules épithéliales, la desmine dans les muscles, les lamines qui entourent les noyaux. Ces FI st concentrés autours du noyau puis ils irradient dans toute la cellule. Ils interviennent dans le maintien de la morphologie cellulaire, dans la résistance au stress mécanique, dans la cohésion tissulaire. Forme cellulaire Centrosome Les C eucaryotes présentent un centrosome: constitué de 2 petites structures tubulaires disposées perpendiculairement: centrioles formés de microtubules Généralement localisé proche du noyau, il coordonne la formation et la distribution des microtubules. Les organites intracellulaires Les eucaryotes contiennent plusieurs organites Ce sont des compartiments cellulaires baignant dans le cytosol. Ils sont délimités par une mb plasmique (simple ou double) et possèdent des fonctions spéciales Le Noyau L enveloppe nucléaire permet de délimiter le contenu du noyau par rapport au cytoplasme

6 Double mb (mb interne et externe) + espace intramembranaire Organite volumineux, ovoïde qui contient l information génétique. Cette mb est percée de pores nucléaires qui permettent les échanges entre le nucléoplasme et le cytoplasme Le nucléoplasme contient un nucléole et la chromatine (à son niveau réplication de l ADN) et un nucléosquelette Le nucléole est le siège de la production des ARN ribosomaux, et des sous unités ribosomales. L enveloppe nucléaire en continuité avec le RE Le RE est une extension de la mb nucléaire externe Présence d un réseau fibreux composé de filaments intermédiaires qui permet de donner une certaine structure rigide au noyau Chromatine = constituée d ADN et de protéines associées MET après cryofracture (permet de voir les protéines transmbr et des petites structures) L enveloppe du noyau est percée de pores nucléaires pour permettre les échanges avec le cytosol. Les pores nucléaires sont constitués d un certain nombre de protéine transmbr Les Mitochondries Organite semi-autonome (possède de l ADN qui code pour des protéines mitochondriales), qui serait dérivé d une bactérie aérobie symbiotique (au départ on pense qu il y a une fusion entre une bactérie anaérobie et une bactérie aérobie donnant les eucaryotes primitifs) Jouent un rôle important dans le métabolisme de la C Siège de la phosphorylation oxydative, donc siège de la synthèse d ATP La mitochondrie est limitée par une enveloppe formée de 2 mb: mb externe et mb interne (la mb interne forme des invaginations à l intérieur de l organite) Elles sont très différentes dans leur composition et leurs fonctions La mb interne délimite l espace matriciel La mb externe est perméable à toutes les molécules de 5kDa ou moins grâce à la présence de porines (protéines). Elle contient aussi des translocases, transporteurs protéiques, impliqués dans l import des protéines à l intérieur des mitochondries La mb interne se replie pour former de nombreuses crêtes augmentant sa surface totale et donc la surface totale de l organite. Dans cette mb interne on trouve la chaîne respiratoire de transporteurs d électrons, l ATP synthase et de nombreux transporteurs qui assurent le passage d éléments tels que pyruvate, acide gras, ATP, ADP et composés nécessaires à la production d ATP Ces crêtes augmentent la surface active de l organite, donc augmentation du rendement de formation d ATP. La mb interne contient aussi des translocases impliquées dans l import de protéines Dans l espace matriciel on trouve un mélange très concentré de nombreuses enzymes, dont celles qui sont nécessaires à l oxydation du pyruvate et des acides gras (en acétyl-coa) et au cycle de l acide citrique. Elle renferme également plusieurs copies identiques d ADN (génome mitochondrial) et les protéines nécessaires à sa transcription (transcription de l ADN) puis à la traduction de l ARNm en protéines (protéines! transcription + traduction de l ADN en ARNm et en protéines). La protéosynthèse mitochondriale ne concerne cependant qu un nombre restreint de protéines (13), la grande majorité des protéines mitochondriales (environ 300 protéines différentes) étant importée à partir du cytoplasme synthétisée à partir du génome nucléaire. Les mitochondries sont impliquées dans plusieurs fonctions: Production d ATP Métabolisme des acides gras Séquestration de Ca2+ (homéostasie calcique)

7 Participation à la mort cellulaire programmée (apoptose) par fuite du cytochrome C dans le cytoplasme. Mitochondries et Poisons Le cyanure, sel de l acide cyanhydrique (HCN), a un effet très brutal par sa propriété de se complexer facilement aux ions métalliques qui composent les groupements prosthétiques du cytochrome C oxydase (il appartient au complexe IV dans la chaîne respiratoire) et de l hémoglobine (comme le fait le monoxyde de carbone). Dans la mitochondrie sa fixation sur le complexe IV empêche instantanément toute production d ATP. L HCN a été découvert en 1782 par Schelle à partir d un pigment bleu foncé, largement utilisé par les peintres de l époque, le bleu de Prusse (d où l autre appellation de l HCN: acide prussique). Dans la nature on peut le trouver en abondance dans certaines graines (amande amère) mais également dans les amandes des noyaux d abricot, de prune et de pêche. L arsenic, métalloïde naturel, provoque des empoisonnements lents, lorsqu il est administré à dose faible et répétée. À dose massive, l empoisonnement est plus rapide. Il bloque le cycle de l acide citrique et donc la production de NADH, H+ et FADH2, indispensables au fonctionnement subséquent de la chaîne respiratoire. Chloroplastes: Photosynthèse Les plastes sont présents dans les plantes et les algues. Les plus connus sont les chloroplastes, que l on trouve dans les cellules d organismes photosynthétiques Ils convertissent l énergie lumineuse en énergie chimique utilisée pour fabriquer des sucres à partir de dioxyde de carbone (phase sombre de la photosynthèse). Ils contiennent également de l ADN et ils sont dérivés de cyanobactéries qui sont devenues symbiotiques Le chloroplaste possède une double membrane (mb interne, mb externe, espace intramembranaire) La membrane interne du chloroplaste entoure un système membranaire constitué d empilement de vésicules aplaties appelées thylakoïdes qui sont le siège de la photosynthèse Ribosomes Les ribosomes sont le site de la synthèse protéique. Ils sont retrouvés aussi bien dans les cellules procaryotes que dans les cellules eucaryotes. Le ribosome est formé par une petite et une grande sous unité. Le ribosome peut être libre dans la cellule ou organisé sous forme de polysome ou encore lié au réticulum endoplasmique (tapissent la mb du RE! d où le nom RER) En fonction du type de la nature des protéines qui sont synthétisées, soit on a des protéines qui vont être synthétisées au niveau du RER soit des protéines qui vont être synthétisées au niveau des ribosomes libres dans la cellule. Ces ribosomes libres sont organisés en polysome Réticulum Endoplasmique: Extension de la mb du noyau RER: Réticulum endoplasmique rugueux REL: Réticulum endoplasmique lisse Le réticulum endoplasmique est constitué d un ensemble de sacs et de tubules membranaires aplatis RE est en continuité avec la mb nucléaire ; c est une sorte d extension de la mb nucléaire Représentation en MET Structure différente entre REL et RER: Le REL assure la synthèse des lipides. La surface du RE rugueux est couverte de ribosomes qui insèrent les protéines néosynthétisées dans le RE. Du RE, les protéines sont transportées vers l appareil de Golgi grâce à des vésicules de transport (vésicules de transition) RER: synthèse + modification des protéines REL: synthèse des lipides + un rôle ++ dans la détox cellulaire

8 La surface du RER est tapissée de ribosomes qui insèrent les protéines en cours de synthèse (protéines néosynthétisées) à l int du compartiment Appareil de Golgi Localisé près du noyau Constitué d un Empilement de citernes + vésicules (à l extrémité des citernes = vésicules bourgeonnantes qui permettent le transport du matériel au travers de l appareil de Golgi) Organite polarisé (Réseau Cis et Trans Golgien) Spé dans la modification (ex: glycosylation) et le tri des protéines (étiquetage)! Protéines membranaires! Protéines lysosomales! Protéines sécrétées Lysosomes Lysosomes: sites majeurs de dégradation intracellulaire de molécules endogènes et exogènes Dégradation de molécules endogènes (= autophagie): fragments de membranes, mitochondries, grains de sécrétion, permet le renouvellement des constituants cellulaire et la récupération des constituants de ces organites Dégradation de molécules exogènes (= endocytose): les molécules sont de natures très variées, hormones, facteurs de croissance, lipoprotéines (endocytose des LDL), virus, etc. Le cas extrême de l endocytose est représenté par la phagocytose. On a des cellules du système immunitaire qui sont spécialisées dans la phagocytose d éléments pathogènes. Ces cellules englobent des élts comme les bactéries pour les détruire ; cette dégradation se fait grâce aux lysosomes et aux protéines lysosomales. Dans ce cas ce sont des éléments plus volumineux comme les bactéries Lysosomes: une seule membrane Les lysosomes contiennent des hydrolases (enzymes) fonctionnant à ph acide seulement Ces enzymes sont capables d hydrolyser l ensemble des familles de molécules biologiques Le ph lysosomal est maintenu par une ATPase à protons (mb) = pompe à protons, qui fait rentrer des protons dans les lysosomes pour maintenir le ph 5 Lysosomes et pathologies humaines (dû à des déficits d enzymes lysosomales) normalement pas de questions Maladie de Tay-Sachs: déficit génétique en béta hexosaminidase qui dégrade normalement le ganglioside GM2, patient malade accumulation du ganglioside GM2 qui dégrade le SN Maladie de Hurler: déficit en alpha iduronidase Maladie de Nieman-Pick: déficit en phospholipase Maladie de Gaucher: déficit en cérébrosidase Maladie de Chedial-Higashi: le contenu enzymatique est normal mais il y a une modification de la mb lysosomale Péroxysomes Organite ovoïde entouré d une simple mb Renferme une matrice assez dense dans lequel peut apparaître un noyau cristallin La matrice des peroxysomes renferme plusieurs familles d enzymes et notamment: * Des oxydases qui produisent H2O2 à partir de l O2 * La catalase qui oxyde les substrats en utilisant H2O2 généré par les oxydases Péroxysomes: site de détoxification de diverses molécules toxiques et ou médicamenteuses = rôle majeur R H2 = phénol, acide formique, formaldéhyde, alcool, Foie, rein! Rôle de détoxification très présent, 2 organes spé dans la détoxification

9 Maladies liées à un déficit de la fonction péroxysomale = PAS DE QUESTION normalement Syndrome Zellweger, défaut dans la biogénèse du peroxysome Dans le cytoplasme se trouve des mb et des enzymes qui ne produisent pas de peroxysomes Manifestations: Hypotonie Accumulation des lipides dans le cerveau Hépatomégalie Kyste du rein Anomalie du squelette La maladie Refsum, déficit en acide phytanique oxydase Accumulation de l acide phytanique (un lipide qui produit la polyneuropathie) une rétinite pigmentaire, une neuropathie, une ataxie, une surdité Manifestations: Rétinite pigmentaire Neuropathie Ataxie Surdité Savoir qu une anomalie des fonctions lysosomales et une anomalie des fonctions péroxysomales entraîne des pathologies lourdes En général, toutes les cellules ont les mêmes organites, mais en fonction de leur rôle dans l organisme (de leur spécialisation), ils sont plus ou moins développés Exemples: C pancréatiques (spé dans la synthèse d hormone, ex: insuline): abondance appareil de Golgi (impliqué dans la synthèse protéique) pour la production d enzymes digestives C lymphocytaires B plasma (spé dans la synthèse d Ac): abondance RE pour la production d Ac C hépatiques: abondance péroxysomes pour détoxifier le sang, foie spé dans la détox CR, au niveau des C hépatiques, on peut avoir un REL très développé C leucocytaires: abondance lysosomes pour tuer les microbes C musculaires: abondance cytosquelette (actine et myosine) pour la contraction musculaire C nerveuses: abondance cytosquelette (tubuline) impliqué dans le transport des vésicules de neurotransmetteur (Corps CR -> extrémité axonale)