La cellule en action

Transcription

1 La cellule en action 1 Plan Cours 1. Les cellules et leur environnement 2. Les niveaux d organisation du corps 3. Les molécules de la vie 4. L identité inaliénable et le pouvoir de se transformer 5. Les cellules souches et les cellules différenciées QCM et exercices Corrigés Objectifs Situer la cellule dans l organisme Comprendre la relation structurefonction Comprendre l importance de l environnement Cours L organisation d un être pluricellulaire repose sur une hiérarchie de niveaux structuraux, chacun s édifiant à partir du niveau inférieur. Les atomes s agencent en molécules complexes qui à leur tour forment des structures fonctionnelles appelées organites, qui sont les composants des cellules. Chez les organismes pluricellulaires, des cellules semblables se regroupent en tissus dont les arrangements particuliers forment les organes. Ces organes s associent en systèmes pour assurer une fonction précise afin de permettre la survie d un organisme. À chaque niveau d organisation apparaissent de nouvelles propriétés résultant des interactions, et donc de la communication entre les éléments. Un organisme représente donc une entité plus grande que la somme de ses composants. 1

2 1 La cellule en action Exemple Le cerveau humain peut dysfonctionner après un traumatisme alors que toutes ses structures sont individuellement intactes. Seules les communications entre les différentes aires corticales sont perturbées, mais l organe ne peut plus assurer certaines de ses fonctions. Le monde vivant actuel est le résultat de processus évolutifs qui ont débuté il y a quelques milliards d années, par la formation de molécules organiques à partir de quelques atomes de carbone, d hydrogène et d oxygène. Un assemblage judicieux et la capacité de communiquer ont abouti à la première cellule. Cette cellule occupe une place privilégiée dans la hiérarchie de l organisation car elle est capable d assurer toutes les activités liées à la vie et permettant sa croissance et sa reproduction. Mais une cellule n existe pas seule : elle est dépendante de son environnement avec lequel elle interagit continuellement. Remarque De manière similaire, les multiples interactions entre les organismes d une population et leur environnement forment l architecture d un écosystème. Nous sommes, biologiquement parlant, des réseaux complexes parfaitement organisés, ayant profondément ancré en nous le désir de perpétuation et incapables de vivre dans l isolement. Nos organes et nos cellules réagissent de même : il leur faut échanger et partager. En effet, quel serait l intérêt de nos poumons, ou d une cellule immunitaire, pris isolément? Par conséquent, et étant posé le but «biologique», nous sommes malléables et ainsi nous pouvons nous adapter aux nombreuses modifications de notre environnement. Les caractéristiques de la vie peuvent se résumer à quelques grands principes : l ordre et la hiérarchie, sans lesquels rien ne peut se réaliser ; la capacité de reproduction ; la croissance et le développement qui nous font devenir aptes à survivre et nous perpétuer ; la capacité d utiliser et donc de produire l énergie indispensable au maintien de notre intégrité ; la faculté d homéostasie, c est-à-dire de nous maintenir dans des limites raisonnables de survie ; enfin l extraordinaire capacité d adaptation et d évolution. 2

3 La cellule en action 1 1. LES CELLULES ET LEUR ENVIRONNEMENT Les cellules sont des unités structurales et fonctionnelles, capables de survivre et se reproduire de manière autonome. Elles possèdent tous les outils leur permettant de s adapter à un environnement en perpétuel changement. Le contraste est étonnant entre leur taille et leur intense activité. Cette activité est due à la grande diversité de leurs organites et de leurs molécules ainsi qu à leur spécialisation fonctionnelle. Remarque Une cellule hépatique contient près de types de protéines différents, chacune pouvant être présente en d exemplaires. 1.1 Description des cellules Les cellules présentent une organisation de base commune ainsi que des particularités leur permettant d assurer leurs fonctions spécifiques. Elles sont toujours le siège de transferts d énergie en leur faveur, grâce à leur équipement enzymatique, et utilisent à leur profit les conditions environnementales favorables. Même lorsqu elles s unissent à d autres pour atteindre un niveau d organisation supérieur, elles demeurent les unités fondamentales de la structure et du fonctionnement de l organisme (Fig. 1.1). En ce moment même, chacune de nos cellules travaille de manière spécifique. Par exemple, nos cellules cardiaques se contractent tandis que nos cellules visuelles sont stimulées et transmettent des informations aux neurones encéphaliques, ce qui nous permet de lire et réfléchir. Toutes nos capacités d êtres doués de réflexion, de mémoire, et d intégration se rapportent à l activité de nos cellules. Dunod La photocopie non autorisée est un délit. Toutes les cellules nucléées sont délimitées par une membrane plasmique qui intervient dans les échanges et la reconnaissance intercellulaire, et forme des compartiments emplis de cytosol dans lequel baignent des organites assurant des fonctions précises. Le noyau, délimité par une enveloppe percée de pores, renferme les molécules d acide désoxyribonucléique ou ADN porteuses de l information génétique de l individu. Toutes les cellules d un organisme portent la même information génétique. Les fonctions du noyau sont la réplication de l ADN indispensable à la division cellulaire et au renouvellement tissulaire, la transcription et la maturation de l acide ribonucléique ou ARN, messager de l information génétique au niveau du cytoplasme et support de la synthèse protéique. 3

4 1 La cellule en action Figure 1.1 Schéma d une cellule. Membrane Centriole Noyau REL REG Vésicules Cytosquelette Appareil de Golgi Mitochondrie Microvillosités 4

5 La cellule en action 1 Les ribosomes libres ou associés au réticulum endoplasmique sont des outils de la traduction, c est-à-dire la synthèse de chaînes peptidiques selon l information portée par l ARN messager et traduite par le code génétique. Le réticulum endoplasmique et l appareil de Golgi assurent la synthèse et le transport de molécules. Leurs membranes sont particulièrement riches en enzymes catalysant les synthèses protéiques et lipidiques et la formation de molécules complexes (glycoprotéines, glycolipides, lipoprotéines). Le cytosquelette assure le maintien de la forme de la cellule et les mouvements cellulaires. Les mitochondries sont les organites responsables de la production d énergie sous forme de molécules d adénosine triphosphate ou ATP, constituent des réserves d ions calcium (Ca 2+ ) et interviennent dans une partie du cycle de l urée. Elles possèdent un génome codant pour certaines de leurs protéines membranaires fonctionnelles. PÔLE APICAL Microvillosités Zymogène* Vésicule de sécrétion REG Appareil de Golgi Dunod La photocopie non autorisée est un délit. Mitochondrie Noyau PÔLE BASAL Figure 1.2 Schéma d une cellule pancréatique exocrine. 5

6 1 La cellule en action Le corps humain est formé de cellules. Les cellules sont adaptées à la réalisation de leur fonction. Il en existe 200 types différents, aux formes, tailles et fonctions diverses. Par exemple, les cellules sécrétrices pancréatiques présentent une ultrastructure riche en réticulum endoplasmique et appareil de Golgi (Fig. 1.2), alors que les cellules musculaires striées ont un cytosquelette développé assurant la contraction mécanique. De même, la membrane des cellules nerveuses est fortement polarisée électriquement, ce qui la rend excitable et permet la conduction des messages nerveux. C est le principe de relation structure-fonction : la structure induit la fonction de même que la fonction peut modifier la structure dans certaines conditions. 1.2 Les matériaux extracellulaires Ils se trouvent à l extérieur des cellules et comportent : La matrice extracellulaire qui est composée de protéines principalement fibreuses (collagène et élastine), de protéoglycanes et de glycoprotéines formant un réseau structuré. Les liquides organiques qui sont le liquide interstitiel, le plasma et le liquide cérébrospinal, milieux de transport, de dissolution et de protection. Les sécrétions cellulaires telles que les enzymes digestives, la salive ou le mucus par exemple. (Voir les chapitres 1. La membrane plasmique et 6. L appareil de Golgi) La matrice extracellulaire Ses constituants sont synthétisés par les cellules. La matrice assure un microenvironnement favorable à leur survie : elle a un rôle fondamental dans l homéostasie et la réparation tissulaire. Elle transmet des signaux aux cellules et intervient ainsi dans les processus d adhérence, de migration, de prolifération et de différenciation. Le tissu conjonctif est constitué de cellules entourées de matrice sécrétée par ces cellules et formée de substance fondamentale et de fibres. Les fibroblastes* synthétisent et sécrètent le collagène, les fibres élastiques et la substance fondamentale. Les adipocytes* accumulent les lipides qui constituent une réserve énergétique et assurent une fonction de protection mécanique des organes. Le tissu conjonctif renferme également des cellules immunitaires*. Les principales molécules de la matrice possèdent des sites d interaction avec les cellules, complémentaires de récepteurs membranaires. 6

7 La cellule en action 1 Ces molécules appartiennent à trois classes : Les protéines fibreuses qui ont un rôle de structure et de maintien. Le collagène représente 25 % des protéines de l organisme, assure la stabilité mécanique des tissus et est présent en abondance dans les tendons musculaires, les cartilages et les os. Il se présente sous forme de faisceaux épais constitués de fibrilles striées de manière périodique. Sa durée de vie dans le derme est de deux mois environ. Il est dégradé par de nombreuses enzymes qui jouent un rôle essentiel dans la croissance fœtale et en pathologie (métastases osseuses). Les fibres de collagène assurent une résistance aux forces de traction. L élastine est située à proximité des membranes plasmiques ainsi que dans leurs invaginations et est responsable de l élasticité de l aorte et du tractus respiratoire*. Elle est en effet en quantité importante dans les tissus soumis à de grandes variations de taille et de forme. Elle est synthétisée par les fibroblastes et dégradée par une enzyme, l élastase (sécrétée par les fibroblastes, les macrophages et les polynucléaires neutrophiles*). Les protéoglycanes forment la substance fondamentale de la matrice. Leur charge négative leur permet d attirer les ions sodium Na + et de manière consécutive l eau. Ils forment ainsi un coussin aqueux gélifié assurant une protection mécanique, notamment au niveau des cartilages. Au niveau des membranes basales, ils constituent des filtres chargés négativement comme dans les glomérules rénaux. Enfin, présents à la surface cellulaire, ils permettent la fixation d ions calcium Ca 2+ et d hormones peptidiques et sont donc des acteurs de la communication intercellulaire. Ils confèrent aux tissus conjonctifs une résistance aux forces de compression. Dunod La photocopie non autorisée est un délit. L acide hyaluronique est largement réparti dans les tissus conjonctif, épithélial et nerveux. Il intervient dans la prolifération et la migration cellulaires et est utilisé lors de soins postopératoires pour favoriser la reconstitution des tissus. Au niveau de la peau, il est synthétisé par les fibroblastes et maintient l architecture des fibres de collagène et d élastine. Il est utilisé en médecine esthétique comme produit de comblement des rides. Dans le liquide synovial des articulations, il augmente la viscosité et rend le cartilage plus élastique. Il est utilisé médicalement dans les traitements de l arthrose et est administré sous forme d injections. Les glycoprotéines ont des propriétés adhésives. La fibronectine synthétisée par les fibroblastes se lie aux constituants de la matrice et aux cellules. Celle synthétisée par les cellules hépatiques joue un rôle dans la coagulation sanguine. Les laminines sont des constituants importants des membranes basales et interviennent dans l adhésion, la migration et la communication cellulaires. 7