1 Le monde cellulaire - CFA MUNICIPAL DE BELFORT
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L’organisation cellulaire des êtres vivants 1 Le monde cellulaire Les cellules sont les plus petits composants de l'organisme qui possèdent toutes les propriétés de la matière vivante. La cellule est l'unité structurale de tout être vivant. Les êtres les plus simples sont constitués d'une seule cellule capable d'assurer toutes les fonctions vitales de l'individu : ce sont des êtres unicellulaires. Les êtres plus complexes sont constitués de très nombreuses cellules. Ce sont des êtres pluricellulaires. Ainsi, le corps humain est composé de milliards de cellules. o Les cellules semblables se groupent pour former des tissus dont chaque sorte s'acquitte d'un travail bien précis. o Les tissus apparentés se réunissent en organes (cœur, poumons, foie, etc.) adaptés à des tâches spécifiques. o Viennent ensuite les systèmes et les appareils, groupes d'organes concourant à assurer une fonction bien précise (nutrition, relation, reproduction). 1.1 Caractéristiques générales de la cellule La taille de la cellule varie d'une espèce à l'autre, d'un tissu à l'autre. D'une façon générale, les cellules sont. Elles sont donc invisibles. Les plus longues cellules du corps sont les cellules nerveuses qui relient la moelle épinière à certains muscles et qui peuvent mesurer plus d'un mètre. La forme de la cellule est souvent en rapport avec ses fonctions et son activité au sein de l'organisme. La durée de vie et le renouvellement cellulaire sont très variables. Bien des cellules ont une vie de courte durée et exigent un renouvellement. Certaines arrêtent leur croissance quand l'organisme atteint sa taille définitive (cellules osseuses), mais peuvent reprendre leur prolifération en cas de besoin (fractures, par exemple). -1- L’organisation cellulaire des êtres vivants La composition chimique de la cellule est, en moyenne, celle de la matière vivante : des substances minérales (eau et composés minéraux) et des substances organiques (protéines, lipides, glucides et acides nucléiques). L'activité de la cellule est celle de tout être vivant. 1.2 Structure de la cellule Toute cellule est constituée par un corps cellulaire visqueux, le cytoplasme, au sein duquel se trouvent le noyau qui contrôle l'activité de la cellule et les nombreux organites qui exercent les fonctions vitales de la cellule. Le tout est enveloppé par une fine membrane cellulaire. Enveloppe protectrice et zone d'échanges avec l'extérieur, la membrane cellulaire porte aussi les récepteurs chimiques qui lui permettent de correspondre avec d'autres cellules et d'identifier les substances du "non-soi". Parsemé de minuscules organites, le cytoplasme est un véritable laboratoire de sélection, de transformation et d'utilisation des matériaux venant de l'extérieur ou élaborés par la cellule elle-même. Riche en acides nucléiques, le noyau contrôle le travail des organites cytoplasmiques et dirige la division cellulaire qui assure la transmission du patrimoine héréditaire porté par les chromosomes. 1.2.1 La membrane La membrane règle les échanges avec le milieu extérieur : soit par les mécanismes de perméabilité cellulaire. Les matériaux liposolubles diffusent à travers la membrane ; les matériaux de petite taille se glissent dans la cellule au niveau des pores. soit par les mécanismes d'endocytose et d'exocytose. -2- L’organisation cellulaire des êtres vivants Ces deux processus font intervenir des déformations membranaires qui permettent à la cellule de capturer ou de rejeter des particules particulièrement volumineuses. La phagocytose est une variante de l'endocytose ; ce processus permet à une cellule, dite phagocyte, d'ingérer des particules solides et volumineuses (bactéries, débris organiques) dans de grosses vacuoles, les vacuoles phagocytaires Les déformations de la membrane plasmique au service des globules blancs : Les globules blancs peuvent franchir par effraction la mince paroi des capillaires sanguins pour se rendre dans les tissus avoisinants : c'est la diapédèse. Le macrophage, cellule immunitaire de première ligne, émet de nombreuses expansions cytoplasmiques, les pseudopodes, qu'il utilise pour adhérer au support et ramper vers le microbe (amiboïsme) ; il encercle alors le microbe et l'ingère : c'est la phagocytose. -3- L’organisation cellulaire des êtres vivants 1.2.2 Le cytoplasme Le cytoplasme se présente comme un gel aqueux (hyaloplasme) qui tient en suspension de nombreux organites et inclusions cytoplasmiques. Les mitochondries sont les centrales énergétiques de la cellule II s'agit d'une multitude de sacs à double paroi disséminés dans le cytoplasme. Les mitochondries sont le siège de la respiration cellulaire. Elles consomment de l'oxygène pour brûler les combustibles (glucose, acides gras). Ces combustions (oxydations) produisent de l'eau, du dioxyde de carbone et de l'énergie disponible pour les différents travaux cellulaires. Les mitochondries sont très abondantes (300 à 1 000) dans les cellules utilisant beaucoup d'énergie (cellules musculaires, spermatozoïdes, etc.). Le réticulum est un couloir de circulation et de synthèse de molécules Le réticulum endoplasmique est un réseau de membranes qui envahissent tout le cytoplasme. Ces membranes résultent d'importantes invaginations de la membrane cellulaire qui s'étendent jusqu'à la membrane nucléaire. Dans certaines régions cytoplasmiques, les membranes du réticulum portent de petites granulations appelées ribosomes. On parle alors de réticulum rugueux par opposition au réticulum lisse. Le réticulum est un système de communication intra-cellulaire, mais aussi le siège de la synthèse de molécules complexes (protéines, lipides). -4- L’organisation cellulaire des êtres vivants Les ribosomes sont les usines de fabrication des protéines Dispersés dans tout le cytoplasme ou accolés sur le réticulum rugueux, les ribosomes sont des chaînes d'assemblage des amino-acides apportés par le sang. C'est donc à leur niveau que sont fabriquées les protéines. L'appareil de Golgi a une activité sécrétoire Situé près du noyau, il est constitué par des piles de petits sacs aplatis empilés les uns sur les autres. Les substances amenées par le réticulum y sont assemblées, modifiées, emballées. Les produits finis sont emmagasinés dans les vésicules golgiennes et acheminés vers les lieux d'utilisation ; ils sont utilisés comme matériaux par la cellule ou exportés sous forme de grains de sécrétion. Les lysosomes sont les agents de la digestion intra-cellulaire Ces petits sacs bourrés d'enzymes digestives servent à la digestion des substances capturées par la cellule par phagocytose (microbes, organites usés, etc…). Le centre cellulaire dirige le mouvement des chromosomes Constitué de deux centrioles cylindriques et perpendiculaires, il devient actif au cours de la division cellulaire en dirigeant le mouvement des chromosomes. La cellule, une usine dont les différents ateliers sont organisés pour fabriquer des protéines Les protéines synthétisées sur les ribosomes cheminent à travers le réticulum lisse vers l'appareil de Golgi où elles seront modifiées, emballées et stockées. Les produits finis sont transportés dans des vésicules vers les lieux d'utilisation ou d'excrétion. -5- L’organisation cellulaire des êtres vivants 1.2.3 Le noyau Toutes les cellules ont un noyau sinon elles meurent. Cependant, certaines cellules le perdent au cours de leur évolution et deviennent incapables de se diviser : c'est le cas des globules rouges, des plaquettes sanguines et des cellules cornées de l'épidémie. 1.2.3.1 La structure du noyau Le noyau interphasique (mécaniquement au repos) Limité par une fine membrane, il est formé par une masse visqueuse (le nucléo-plasme) qui tient en suspension un ou des nucléoles et de la chromatine. La membrane nucléaire, formée de deux feuillets, est percée de nombreux pores permettant le passage de substances entre le noyau et le cytoplasme. o Les nucléoles sont des petites masses arrondies très riches en ARN. o La chromatine forme un réseau ou des amas irréguliers disposés autour du nucléole et contre la membrane du noyau. Elle est constituée de fibres spiralées, très serrées les unes contre les autres, les fibres chromatiniennes. Chacune de ces fibres est constituée d'acide désoxyribonucléique (ADN) lié à une quantité à peu près égale de protéines. A la fin de l'interphase, chaque fibre chromatinienne apparaît dédoublée en deux fibres identiques (chromatides) unies au niveau d'un centromère. -6- L’organisation cellulaire des êtres vivants Le noyau mitotique (en division) Au début de la division cellulaire, les fibres chromatiniennes se spiralisent et se structurent en filaments de plus en plus courts et compacts, les chromosomes, qui apparaissent bientôt nettement. En fait, chromatine et chromosomes représentent les deux états de la même matière : les chromosomes sont la forme ultra-compacte de la chromatine. 1.2.3.2 Le rôle du noyau Le noyau contient tout le patrimoine génétique de la cellule et de l'organisme. Son activité est liée à sa richesse en acides nucléiques, ADN et ARN. 1.2.3.2.1 L'acide désoxyribonucléique, détenteur du plan de fabrication L'ADN est une molécule géante qui renferme, sous forme codée, le capital génétique de l'individu, c'est-à-dire l'ensemble de ses caractères héréditaires. La molécule d'ADN est une molécule vitale puisqu'elle a non seulement le pouvoir de conserver l'information génétique, mais aussi de la transmettre en se "répliquant", c'est-àdire en réalisant une "photocopie" d'elle-même. Elle se présente comme une succession linéaire de gènes, un peu comme se présenterait une succession de perles sur un collier. Les gènes se répliquent. Chaque gène dirige la synthèse d'une protéine donnée et contient les informations nécessaires qui détermineront l'apparition de tel ou tel caractère génétique (groupe sanguin, couleur d'yeux ou autre caractère moins visible). Par exemple, un petit fragment du chromosome Y, appelé gène TDF (Testis Determining Factor), détermine la fabrication d'un garçon. -7- L’organisation cellulaire des êtres vivants Les acides ribonucléiques, des adjoints précieux La molécule d'ADN est trop volumineuse pour sortir du noyau et porter elle-même le plan de fabrication contenu dans les gènes jusqu'aux ribosomes, ateliers de fabrication des protéines. Par contre, un ARN "messager", de plus petite taille, peut quitter le noyau en transportant une copie exacte du plan de fabrication afin de le confier aux ribosomes. Après lecture de ce plan, les ribosomes appellent les acides aminés voulus et les assemblent en protéines, grâce à l'intervention d'autres acides ribonucléiques. -8- L’organisation cellulaire des êtres vivants 2 La vie cellulaire 2.1 La naissance de la cellule Excepté l'œuf, toute cellule naît de la division d'une cellule préexistante. Chez les êtres unicellulaires, la cellule qui constitue l'organisme entier résulte de la division d'une cellule-mère. Chez les êtres pluricellulaires, les cellules qui constituent l'organisme entier résultent des divisions successives de la cellule initiale, la cellule-œuf. Ces divisions continueront tout au long de la vie. NB : l'œuf est, dans toutes les espèces vivantes, le seul exemple de naissance d'une cellule par fusion de deux autres : le spermatozoïde et l'ovule. 2.2 La nutrition et le métabolisme cellulaire La vie de la cellule est conditionnée par deux impératifs : assurer sa propre survie (sa croissance, son entretien, sa reproduction) et accomplir le travail qui lui a été assigné au sein de l'organisme. Pour assurer cette double activité, la cellule a besoin de matériaux. Elle trouve ces matériaux dans la lymphe interstitielle qui circule entre les cellules et dont la composition est pratiquement celle du plasma sanguin. L'absorption de ces matériaux se fait au niveau de la membrane cellulaire, passivement (perméabilité cellulaire) ou activement (endocytose). Les aliments puisés dans la lymphe sont utilisés : -les uns comme matériaux de construction dont la cellule a besoin pour rem placer ses constituants usés ou élaborer de nouvelles molécules ; il s'agit des protides et des lipides. -les autres comme matériaux énergétiques dont la cellule a besoin pour son activité : il s'agit essentiellement du glucose et des acides gras. Finalement, dans chaque cellule, des molécules sont constamment démontées, ce qui fournit de l'énergie et des matériaux de construction pour la fabrication de nouvelles molécules généralement plus complexes. La dégradation par la cellule des matériaux absorbés ou de ses constituants usés porte le nom de catabolisme ; le catabolisme libère de l'énergie. La synthèse par la cellule de sa matière vivante porte le nom d'anabolisme ; l'anabolisme consomme de l'énergie. L'ensemble des transformations chimiques et énergétiques accompagnant les synthèses et dégradations dont la cellule est le siège constitue le métabolisme. -9- L’organisation cellulaire des êtres vivants 2.3 La respiration cellulaire A l'intérieur de la cellule, c'est au niveau des mitochondries que les matériaux sont dégradés en présence d'oxygène. Ces réactions d'oxydation constituent la respiration cellulaire : elles produisent l'énergie nécessaire à l'usine cellulaire. 2.4 L'activité cellulaire La cellule est sensible et répond à des excitations diverses qui peuvent être de nature mécanique, thermique, lumineuse, électrique, chimique. Réponse mécanique : production de mouvements, tels que l'amiboïsme (possibilité de ramper), la contraction (raccourcissement des muscles). Réponse électrique : naissance et propagation de l'influx nerveux. Réponse thermique : production de chaleur (accompagne souvent les mouvements cellulaires). Réponse sécrétoire : élaboration d'un produit que la cellule rejette dans le sang (sécrétion endocrine) ou dans une cavité (sécrétion exocrine). 2.5 La division cellulaire 2.5.1 Les différents modes de division cellulaire Chez les êtres unicellulaires inférieurs (ex. : microbes), la division cellulaire est une division directe, l'amitose, qui se fait par simple scission. Elle aboutit à la formation de cellules-filles approximativement identiques. Chez les êtres pluricellulaires, la division est toujours indirecte. On observe deux types de division. o La mitose est le processus de division qui sert à multiplier les cellules pour donner, à partir de - 10 - L’organisation cellulaire des êtres vivants l'œuf (46 chromosomes chez l'Homme), un embryon et assurer le développement de celuici en fœtus, puis en individu complètement formé. Ce processus de division continue à intervenir tout le long de la vie de l'individu. Formation de l'œuf et premières mitoses o La méiose est un mode de reproduction particulier qui permet d'obtenir des cellules sexuelles (ovules et spermatozoïdes) à 23 chromosomes. 2.5.2 Le cycle cellulaire La vie de la cellule peut être considérée comme un cycle caractérisé par l'alternance de deux phases : une phase non proliférative, l’interphase et une phase proliférative, la mitose. L'interphase est de durée variable selon le type de cellules. Pendant cette période, la cellule travaille, synthétise son matériel de croissance, puis se prépare à sa division en dupliquant son matériel chromosomique : à la fin de l'interphase, chaque chromosome est fissuré longitudinalement en deux chromosomes-fils rigoureusement identiques. La mitose dure une à deux heures. Au cours de cette phase, le noyau subit d'importantes modifications qui aboutissent à la division de la cellule en deux cellules-filles rigoureusement identiques et identiques à la cellule-mère. - 11 - L’organisation cellulaire des êtres vivants L'évolution du matériel chromosomique au cours du cycle cellulaire 2.5.3 Principe de la mitose La mitose est un phénomène continu (une demi-heure à 2 heures) mais, pour en faciliter la description, on en distingue traditionnellement 4 phases. - 12 - L’organisation cellulaire des êtres vivants Prophase Le centre cellulaire se duplique. Les 2 paires de centrioles, appelés asters, s'écartent l'un de l'autre. Un fuseau de fibres se tend entre les deux asters. La membrane nucléaire se fragmente, puis disparaît. Les fibres chromatiniennes se spiralisent, s'épaississent et se raccourcissent. Le nucléole dégénère. Métaphase Fixés aux fibres du fuseau, les chromosomes se disposent sur une plaque équatoriale. En fin de métaphase, les 2 chromatides de chaque chromosome se séparent : il apparaît 2 lots identiques de chromosomes-fils. Anaphase Chaque lot de chromosomes glisse vers un pôle de la cellule. Télophase La membrane cellulaire s'étrangle. Les chromosomes s'étirent, se déspiralisent, deviennent de moins en moins visibles (chromatine). Autour de chaque lot de chromosomes se forme une membrane nucléaire. Un nucléole se reconstitue dans chacun des 2 noyaux. Une membrane cellulaire se reconstitue autour de chaque cellule-fille qui entre en période d'interphase. - 13 - L’organisation cellulaire des êtres vivants 2.6 LES GROUPEMENTS DE CELLULES 2.6.1 La différenciation cellulaire À l'origine, le corps humain comme celui des animaux, est formé d'une cellule unique, l'œuf, qui se divise en donnant d'abord des cellules toutes semblables. Mais, très vite, ces cellules se modifient et se différencient en vue d'accomplir un travail bien précis au sein de l'organisme : telles cellules s'orientent vers la fonction de sécrétion, telles autres se spécialisent dans la protection des tissus, d'autres ne s'emploieront qu'à la défense de l'organisme, etc. Ainsi s'établit, par différenciation, une division physiologique du travail entre les diverses cellules qui constituent le corps de l'homme. 2.6.2 Les tissus, organes et appareils L'ensemble des cellules semblablement différenciées par adaptation à une fonction bien définie constitue un tissu. Les tissus, formés de cellules différenciées, se groupent en organes, tels le cœur, les poumons, l'estomac, etc. C'est le travail particulier accompli par un organe qui le caractérise. Plusieurs organes peuvent s'associer pour concourir à un même travail d'ensemble que l'on nomme fonction ; leur groupement forme alors un appareil ou système (appareil circulatoire, système nerveux, etc.). On peut distinguer trois types de fonctions dans l'organisme : Les fonctions de reproduction, assurées par les appareils génitaux. Les fonctions de nutrition, assurées par l'appareil digestif, l'appareil circulatoire, l'appareil respiratoire et l'appareil excréteur. Grâce à elles, des aliments et de l'oxygène sont absorbés, transportés aux organes et aux cellules qui les utilisent pour se construire et pour produire de l'énergie. Grâce à elles également, les déchets du fonctionnement des organes sont éliminés. Les fonctions de relation, qui mettent l'organisme en « relation » avec le monde extérieur. Ces fonctions sont assurées par les systèmes squelettique et musculaire, eux-mêmes commandés par le système nerveux - 14 - L’organisation cellulaire des êtres vivants 3 Synthèse La membrane cellulaire double feuillet phospho-lipidique. assure la cohésion du contenu de la cellule. contrôle les échanges entre le milieu intra-cellulaire et le milieu extracellulaire (perméabilité sélective). est élastique, donc déformable. possède des récepteurs membranaires capables de recevoir des messages de l'extérieur. Le cytoplasme = laboratoire de synthèses et de transformations Matière visqueuse qui tient en suspension les organites cytoplasmiques. les mitochondries constituent les centrales énergétiques de la cellule. les ribosomes sont les ateliers de synthèse des protéines. le réticulum est un lieu de transit et de synthèse de molécules. l’ appareil de Golgi a une activité secrétaire. les lysosomes sont des organites bourrés d'enzymes digestives. le centre cellulaire dirige les mouvements de la division cellulaire. Le noyau = centre directeur de la cellule Enveloppé par une membrane nucléaire percée de nombreux pores. Contient des fibres de chromatine essentiellement formées d'ADN, molécule géante qui porte, sous forme codée, toute l'information génétique de la cellule. Les fibres de chromatine se structurent en chromosomes au moment de la division cellulaire. Les chromosomes, porteurs de gènes, sont le support des caractères héréditaires. Les nucléoles contiennent des ARN, molécules de moindre taille, capables de porter aux ribosomes l'information génétique codée dans l'ADN. La mitose = processus de division cellulaire qui aboutit à la formation de deux cellules-filles rigoureusement identiques entre elles et identiques à la cellule-mère. Permet la construction, le renouvellement, la réparation des tissus de l'organisme. Se déroule en quatre étapes : la prophase, la métaphase, l’anaphase et la télophase. - 15 -
