CHAPITRE 1 DE PHYSIOLOGIE : LA CELLULE CHAPITRE 1 : LA CELLULE 1. LES TECHNIQUES D’ÉTUDES DES CELLULES Cf fiche sur la microscopie 2. STRUCTURE ET ULTRASTRUCTURE DES CELLULES 2.1 Généralités Cellule = unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants. Il existe • des organismes unicellulaires (bactéries, protozoaires, levures, algues microscopiques unicellulaires) qui fonctionnent de manière autonome • des organismes pluricellulaires (ou multicellulaires) (animaux, végétaux) dont les cellules sont coordonnées avec les autres cellules. Les cellules de même type sont réunies en tissus, eux-mêmes réunis en organes. → chez l’homme : plus de 200 types de cellules = 3,0.1013 cellules (nombre total) La majorité des cellules sont spécialisées (différenciées), c’est-à-dire adaptées à la fonction qu’elles remplissent au sein d’un tissu. Le reste de nos cellules sont des cellules souches (indifférenciées) qui se distinguent par leur capacité à se renouveler indéfiniment et, sous certaines conditions, à pouvoir évoluer vers divers types de cellules spécialisées. Les cellules souches adultes sont présentes dans certains organes et assurent le remplacement de cellules dont le renouvellement est constant (cerveau, moelle épinière, sang, muscles, peau, foie. Les cellules souches adultes sont pluripotentes, elles peuvent générer tous les types de cellules à l'intérieur de ce tissu seulement. 2.2 Organisation de la cellule : 2.2.1 la structure de base (ce qui est visible au MO) La cellule a une structure constante constituée de 3 éléments : • le matériel génétique contenu ou non dans un noyau (Cellule procaryote = absence de noyau → bactéries Cellule eucaryote = ADN dans noyau → autres) • le cytoplasme désigne le contenu d'une cellule vivante, il est riche en organites Le cytosol (ou hyaloplasme) correspond à la fraction liquide du cytoplasme. . • La membrane désigne un assemblage de molécules séparant la cellule de son environnement et délimitant le cytoplasme cellulaire. On parle de membrane plasmique lorsque celle-ci délimite une cellule (le milieu intérieur est alors le cytoplasme), de membrane intracellulaire lorsqu'elle délimite un organite et de membrane ou enveloppe nucléaire lorsqu’elle délimite le noyau. 2.2.2 Ultrastructure (organisation au ME) Chaque doc de A à I correspond à un organite a. la membrane plasmique Au microscope électronique, elle apparaît formée de 2 feuillets sombres de 20 Å d’épaisseur chacun séparés par un feuillet clair de 35 Å. La membrane est composée de lipides et de protéines • Limite physique de la cellule • Transport de molécules (entrée et sortie de la cellule) • Communications intercellulaires : récepteurs des hormones, récepteurs des neuromédiateurs • Reconnaissance cellulaire : « carte d’identité » cellulaire 1 CHAPITRE 1 DE PHYSIOLOGIE : LA CELLULE b. le noyau Description : C’est le plus gros constituant de la cellule (3-10 µm), visible au microscope optique. Il est isolé du reste du cytoplasme par une enveloppe nucléaire, constituée de deux membranes séparées d’un espace périnucléaire et perforée par des pores nucléaires de 500 Å de diamètre. A l’intérieur du noyau on trouve un ou plusieurs nucléoles et de la chromatine. L’enveloppe nucléaire est formée par : - Une membrane externe, recouverte de ribosomes et en continuité avec la membrane du REG est en relation étroite avec des filaments du cytosquelette (maintien du noyau a sa place). - Une membrane interne, - Un espace intermembranaire périnucléaire, qui est en communication avec la cavité du réticulum endoplasmique granuleux (REG). Les pores donnent à l’enveloppe nucléaire une perméabilité sélective : Ils laissent transiter librement l’eau et les petites molécules hydrosolubles →les grosses molécules (enzymes, protéines, ARNm) doivent s’associer avec les protéines du pore pour pouvoir passer Dans le noyau se trouvent la chromatine (constituée d’ADN et de protéines, les histones), un ou plusieurs nucléoles et toutes les molécules et complexes moléculaires nécessaires au fonctionnement de l’ADN et à la maturation des ARN. • La chromatine se trouve sous deux formes : - Euchromatine : peu condensée (claire, peu colorable). L’ADN y est plus accessible à l’ARN pol donc les gènes y sont actifs (ils s’y expriment) - Hétérochromatine : très condensée (foncée, très colorable) , peu d’expression des gènes Remarque : les chromosomes sont un état plus condensé de la chromatine uniquement présents au cours de la division cellulaire→ 46 chromosomes = 46 filaments de chromatines. • Le nucléole (1 ou 2 par cellule) a une allure sphérique mais pas de membrane. Il est le lieu de synthèse des sous-unités de ribosomes. Plus le nucléole est grand, et plus la cellule présente un métabolisme intense. Rôle du noyau : Le noyau est le siège principal de la synthèse d'ADN (lors de la réplication pour la division cellulaire) et d'ARN (pour la transcription). c. le réticulum endoplasmique Le réticulum endoplasmique (RE) est une extension de la membrane du noyau délimitant des cavités ou citernes réparties dans le cytoplasme. Le RE est divisé en RE lisse et RE rugueux, en fonction de son apparence au microscope. • REL : réseau de fins tubules interconnectés • RER : sacs aplatis empilés en continuité avec les sacs précédents. La surface est couverte de ribosomes. Le REL et le RER sont en continuité l’un avec l’autre. Rôles : RER : Synthèse des protéines : Les protéines synthétisées via les ribosomes des RER vont aller ensuite dans la lumière du RE. Ces protéines ont deux destinations possibles : 2 CHAPITRE 1 DE PHYSIOLOGIE : LA CELLULE • Exportation hors de la cellule (hormones, anticorps, enzymes…) • Destinées à la construction de la membrane (plasmique et autre) (les composants de la membrane externe : les canaux ioniques, les transporteurs et les molécules d'adhérence, les récepteurs membranaires (impliqués dans la signalisation cellulaire) Un tiers des protéines totales de la cellule transite par le RE. Certaines de ces protéines opèrent uniquement dans le RE et y demeurent. D'autres vont dans l'appareil de Golgi. Glycosylation des protéines : ajout d’un sucre (oligosaccharides) à la chaine polypeptidique Cela permet de rendre les protéines plus résistantes aux protéases ; la glycosylation a un rôle dans les processus d’adhérence cellulaire et participe au processus de transport (adressage) REL : pas de ribosomes Lieu de passage pour les molécules destinées à quitter le RE. Synthèse des lipides (acides gras, phospholipides…) et hormones stéroïdes (dérivées du cholestérol), La membrane va bourgeonner, une vésicule va se détacher et gagner l’appareil de Golgi. Le stockage du calcium intracellulaire est une autre fonction assurée par le RE des muscles striés. La quantité de REL et de REG varie selon les cellules. De même la proportion de REG par rapport à celle de REL varie aussi selon l'état d'activité de la cellule, selon les besoins en protéosynthèse de la cellule. Répartition variable selon l’activité de la cellule : o REG dans les cellules synthétisant protéines et glycoprotéines. : cellules secrétant des enzymes ou cellules à croissance rapide (cellule du fœtus) o REL dans cellules synthétisant des hormones stéroïdes ou métabolisant des lipides. d. L'appareil de Golgi L'appareil de Golgi est constitué d'un empilement de saccules (un peu comme une pile d'assiettes) associés à des vésicules. Cet empilement est appelé dictyosome. On distingue la face cis de l'appareil de Golgi, qui se situe en aval du réticulum endoplasmique, et la face trans qui est tournée vers le cytoplasme. L’appareil de Golgi communique avec le RE par l’intermédiaire de vésicules de transport. Dans le doc 1, la structure polarisée du dictyosome Golgien apparaît au travers de la distinction entre saccules cis, medium et trans qui n'ont ni la même forme, ni la même composition chimique. ➢ Les vésicules périphériques permettent aux saccules de communiquer entre eux. ➢ Les vésicules de transition assurent le passage entre le réticulum endoplasmique rugueux et l'appareil de Golgi. ➢ Dans les cellules sécrétrices la face trans est marquée par de volumineux grains de sécrétion. La fonction principale de l'appareil de Golgi est de servir de lieu de transit et de réservoir pour les protéines et lipides fabriqués dans le réticulum endoplasmique. Il permet notamment d'ajouter des modifications post-traductionnelles sur les protéines nouvellement synthétisées : • glycosylation, ou l'ajout de sucre sur certains acides-aminés ; • clivage des précurseurs polypeptidiques (coupure de liaisons peptidiques) • sulfatation, ou l'ajout de sulfate sur certains acides-aminés ; 3 CHAPITRE 1 DE PHYSIOLOGIE : LA CELLULE • phosphorylation, ou l'addition de phosphate. Ces modifications permettent de rendre fonctionnelles les protéines. e. ribosomes : Particules globulaires faites de deux sous-unités ; il s’agit de l’association de protéines et de molécules d’ARN ribosomiques (ARNr). Ils sont situés soit fixés sur le RE soit regroupés sous forme de polysomes. Rôle : la synthèse des protéines : = traduction - Libres dans le cytoplasme : associés aux ARNm pour former des polysomes, ils permettent la synthèse des protéines résidentes - Attachés à la membrane plasmique du REG (coté cytoplasme) : synthèse de protéines destinées à l’extérieur. de la cellule. f. les mitochondries Description : Les mitochondries sont de petits organites (environ 1micromètre de longueur) formées d'une membrane externe, d'une membrane interne avec de nombreux replis ou crêtes et d'une matrice qui est l'espace entre les replis de la membrane interne. La matrice contient des granules denses de 𝑀𝑔2+ et 𝐶𝑎2+ (fonctionnement des enzymes mitochondriales), ADN circulaire et enzymes solubles (cycle de Krebs et cycle de l’urée). Elles peuvent se multiplier en fonction des besoins énergétique de la cellule. Rôle : la respiration cellulaire. : L'ensemble des réactions qui fournit de l'énergie au sein de la mitochondrie La dégradation de nutriments commence dans le cytoplasme et se finit dans les mitochondries. L’ATP est formée par des enzymes mitochondriales (ATPases). Cette synthèse se fait en présence de dioxygène au niveau de la membrane mitochondriale → respiration cellulaire Plus l’ activité intense → + respiration cellulaire → + mitochondries g. lysosomes Description : Vésicule plus ou moins sphérique et entouré d’une membrane unique Ils contiennent des enzymes digestives (hydrolases acides), qui fonctionnent à un pH acide. Ils sont formés par le complexe golgien. Les enzymes du lysosome sont appelées : lysozymes. Ce sont différentes hydrolases comme des lipases (dégradent les lipides en acides gras), des carbohydrases (dégradent les sucres), des protéases (dégradent les protéines en peptide), des peptidases (dégradent les peptides en acides aminés) et des nucléases (dégradent les acides nucléiques en nucléosides). Rôles : c’est l’appareil digestif de la cellule Doc2: La digestion concerne : • La dégradation de matériaux intra et extracellulaires, • Le système de protection contre les étrangers : des Substances exogènes qui entrent dans la cellule par endocytose ou phagocytose, puis sont enfermées dans une vésicule qui fusionne avec un lysosome et qui sera dégradée • Le système d’élimination des constituants cellulaires vieillis (substances endogènes) : Substances endogènes : organites à durée de vie limitée (Ex : mitochondries qui fusionnent avec la membrane du lysosome et les hydrolases agissent pour dégrader les composants mitochondriaux). 4 CHAPITRE 1 DE PHYSIOLOGIE : LA CELLULE h. Peroxysomes Description : Les peroxysomes sont de petites vésicules entourées d'une membrane présentes dans les cellules eucaryotes surtout dans cellules rénales et hépatocytaires. Les peroxysomes se forment par autoréplication et non à partir du Golgi comme les lysosomes. Ce sont des « sacs à enzymes» Rôles : • Béta oxydation des acides gras au cours de laquelle il y a formation de H 2O2 (peroxyde d’hydrogène ou eau oxygénée) • Lutte contre les radicaux libres et le peroxyde d’hydrogène : L’accumulation des radicaux libres (substances chimiques très réactives pouvant endommager la structure des protéines, des lipides et des acides nucléiques) est néfaste à la cellule. • Neutralisation de substances nuisibles ou toxiques • les peroxysomes sont aussi impliqués dans la synthèse de la bile, du cholestérol et dans le métabolisme des acides aminés i.centriole Il y a deux centrioles par cellule. (1 Paire = 1 centrosome). Ce sont 2 tubes creux perpendiculaires l’un à l’autre placé à côté du noyau, Il est constitué de 9 groupes de 3 microtubules rôle : ➔Rôle dans la mitose ► il se duplique lors de la division cellulaire ► Migration de chaque paire à l’extrémité de la cellule pour former le fuseau de division j. le cytosquelette Doc 3 Le cytosquelette est un des constituants majeurs des cellules : comme son nom l’indique, il s’agit du « squelette » cellulaire. Le cytosquelette est un réseau de filaments cytoplasmiques. Chaque type de filament est composé de l’assemblage de monomères spécifiques. • Microfilaments (filaments d'actine (filaments les plus fins)) (ø : 7nm) (ce sont les composants les plus nombreux à l'intérieur de la cellule) Ils ont une distribution périphérique • filaments intermédiaires (ø : 10 nm) Monomères variés (srt kératine, vimentine…) de la périphérie vers le centre • microtubules (ø : 25 nm) Dimères de tubuline rayonnent du noyau (accrochés au centrosome) vers la périphérie Fonctions du cytosquelette Le cytosquelette assure deux grandes fonctions au sein des cellules : - Une fonction structurale : il permet le maintien de la structure cellulaire (lui confère sa forme) et l’adaptation de cette structure à l’environnement, ainsi que le positionnement des organites intracellulaires. - Une fonction motrice : il permet le déplacement des organites et des vésicules au sein des cellules (= trafic intracellulaire) et déplacement des cellules elles-mêmes (= motilité). 5
