La cellule (Marieb ch.3)

Etude de la cellule (Cytologie)

C’est en 1838 et 1839 que les biologistes allemands Mathias Schleiden et Theodor Schwann ont publié leurs travaux énonçant la théorie cellulaire selon laquelle tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Depuis, il a été maintes fois démontré que les organismes, des bactéries aux humains sont tous constitués d’unités cellulaires. Tous les êtres vivants sont constitués d’éléments microscopiques auxquels on donne le nom de cellules.
On étudie la cellule à l’aide d’un microscope optique qui grossit aujourd’hui de 1 000 à 2 millions de fois. Le microscope à balayage, microscope électronique à effet tunnel, grossit 100 millions de fois et permet même de visualiser des atomes. Les êtres vivants les plus simples sont composés d’une seule cellule, on les appelle unicellulaires. La bactérie en est un exemple.
Les êtres pluricellulaires sont formés de plusieurs groupes de cellules. L’être humain est formé par la juxtaposition de plusieurs milliard de cellules :
• Cellules fixes : os, muscles, organes …
• Cellules mobiles : globules, plaquettes, ovules, spermatozoïdes.
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Cellules = unités fondamentales de tout être vivant. Le corps humain en contient 50 à 100 millions de millions (10 puissance 12 par kilo de poids corporel). On trouve environ 200 types de cellules aux formes, tailles et fonctions très diverses. Les plus petites font 2 micromètres et les plus grandes peuvent faire 1 mètre (neurones qui nous permettent de bouger les orteils). Elles sont principalement composées de : carbone, hydrogène, azote, O2. Toute sont constituées de trois régions principales : membrane plasmique, cytoplasme et noyau

Cellule
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MORPHOLOGIE DE LA CELLULE
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A / CORPS
Il renferme une masse visqueuse appelée cytoplasme : terme désignant le contenu d’une cellule vivante à l’exclusion du noyau. Plus précisément, le cytoplasme est constitué du hyaloplasme, des organelles, des ribosomes et des éventuelles inclusions. Ces inclusions cytoplasmiques sont nombreuses. Voici quelques exemples :
  • Mitochondries : centrales qui fournissent à la cellule l’énergie dont elle a besoin. Le glucose, les graisses et les acides aminés y subissent des réactions chimiques en présence d’oxygène de manière à dégager de l’énergie. C’est dans les mitochondries qu’est produit l’ATP, à partir du glucose. Elles peuvent se déplacer et se concentrent dans les régions où les besoins énergétiques sont les plus importants.
  • Ribosomes : siège de synthèses des protéines. Certains sont libres, d’autres liés au réticulum endoplasmique rugueux.
    Ce sont des granules d’ARN (acide ribonucléique) ribosomal, formés de deux sous unités qui assurent la synthèse des protéines cellulaires.
  • Réticulum endoplasmique : on distingue deux sortes :
  • le réticulum rugueux, qui produit des protéines et des membranes plasmiques,
  • le réticulum lisse, qui intervient dans le métabolisme des lipides.
  • L’appareil de Golgi : il est formé d’un empilement de sacs membraneux aplatis dans lesquels les protéines provenant du RE rugueux sont transformées (protéines chaperones) et excrétées (vésicules).
  • Lysosomes : ce sont des vésicules d’origine golgienne, dont la richesse en protéines enzymatiques procure une fonction de digestion et de dégradation des substances alimentaires de la cellule.
  • Le cytosquelette : il est fait de filaments protéiques, constituant l’armature et l’organe du mouvement de la cellule dont on distingue trois types : les microfilaments, les microtubules et les filaments intermédiaires.
  • Centrosome et centrioles : Région voisine du noyau qui constitue le centre d’organisation des microtubules. Il contient une paire d’organites appelés les centrioles. Ses fonctions sont la production de microtubules et la mise en place du fuseau mitotique lors de la division cellulaire. Les centrioles sont aussi à l’origine des cils et flagelles.
  • Cils et flagelles : Extensions cellulaires mobiles. Leur action est importante quand une substance doit être déplacée à la surface de la cellule, par exemple, les cellules ciliées tapissent voies respiratoires pour éliminer mucus, poussières,… La seule cellule flagellée du corps est le spermatozoïde.

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 B / NOYAU
Il est le centre vital de la cellule qui contient les gènes. Il peut être sphérique, ovoïde, etc.. Il est séparé du cytoplasme par la membrane nucléaire. La membrane nucléaire est formée de plusieurs couches et interrompue par de nombreux pores. Leur existence permet les échanges avec le cytoplasme. A l’intérieur de la membrane nucléaire se trouve une membrane visqueuse, le suc nucléaire ou nucléoplasme. Le nucléoplasme tient ensemble les nucléoles, notamment constituées d’acide ribonucléique et de chromatine.
Quand la cellule va se diviser, les fibres chromatiniennes se transforment en filaments appelés chromosomes, toujours en nombre pair, égal pour chaque espèce vivante. Chez l’homme, il y a 46 chromosomes, soit 23 paires dont une paire déterminant le sexe. Ce sont les éléments de base de l’hérédité.
Rôles :

•   Le noyau est indispensable à la vie cellulaire. Son ablation détermine la mort de la cellule. Limité par une enveloppe nucléaire creusée de pores, il contient le nucléoplasme, substance gélatineuse, dans lequel se trouvent :

  • Les nucléoles, lieu de synthèse de l’ARN ribosomal,
  • La chromatine, fin réseau de fibres emmêlées d’ADN, appelées à devenir chromosomes lors de la division cellulaire. 

    Rôle de l’ARN : L’ADN est un peu comme un bande magnétique, il faut un décodeur pour exprimer l’information qu’il contient. L’ADN ne quitte jamais le noyau et à donc besoin d’un décodeur et d’un messager et c’est ce dont se charge l’ARN. Il existe 3 formes d’ARN :

    • L’ARN messager : a une vie courte, il va du gène au ribosome pour livrer à ce dernier le message contenant les instructions à la fabrication de synthèse d’un polypeptide.
    • L’ARN de transfert : petite molécule qui ressemble à des formes de trèfles. Seules de petites régions de l’ADN codent pour sa synthèse. Formes durables et stables qui ne portent pas eux-mêmes les codes servant à la synthèse d’autres molécules. Agit avec l’ARNr pour traduire le message livré par l’ARNm
    • L’ARN ribosomal qui entre dans la composition des ribosomes. Seules de petites régions de l’ADN codent pour sa synthèse. Formes durables et stables qui ne portent pas eux-mêmes les codes servant à la synthèse d’autres molécules. Agit avec l’ARNt pour traduire le message livré par l’ARNm

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C / MEMBRANE CELLULAIRE

Elle est souple et sépare le liquide intracellulaire qui est dans la cellule et le liquide interstitiel dans lequel baigne les cellules. Structure extrêmement fine constituée de trois bandes juxtaposées : deux bandes opaques formées de protéines séparées par une bande centrale claire, formée elle-même de deux couches de lipides.

La membrane cellulaire, ou membrane plasmique, est donc une fine pellicule continue principalement constituée d’une double couche de phospholipides qui ont la caractéristique d’être amphipathiques, c’est à dire détenteurs d’une tête hydrophile chargée électriquement et d’une queue hydrophobe non chargée. Les deux couches sont parallèles. La tête correspond au groupement phosphore du phospholipide et la queue aux deux chaînes d’acides gras. Les têtes hydrophiles sont périphériques, tournées vers l’extérieur tandis que les queues hydrophobes se font face vers l’intérieur.

Le cholestérol. Ces molécules sont enchâssées au sein de la membrane plasmique, il agit comme stabilisateur, limitant les mouvements de glissement entre les deux couches de phospholipides.
Les glycolipides. Ce sont des phospholipides couplés à des glucides, toujours situés à la face externe de la membrane, où ils participent à la formation du glycocalix (système de reconnaissance intercellulaire) dont fait partie le système d’histo-compatibilité HLA qui joue un rôle majeur dans la réponse immunitaire et le système des groupes sanguins, à la surface des globules rouges.
Les protéines. Elles sont de deux sortes. • transmembranaires, ce sont de longues chaînes peptidiques traversant de part en part, une ou plusieurs fois, la bicouche lipidique. Elles sont en contact avec l’intérieur et l’extérieur et ont, par conséquent un rôle de communication entre ces deux milieux périphériques, participant à la formation du glucocalix ou renforçant la solidité de la membrane
.   Membrane
Membrane Cellulaire, lieu d’échange entre la cellule et le milieu extérieur.
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Fonctionnement de la membrane plasmique
La membrane assure différentes fonctions de transport. Les transferts transmembranaires étant indispensables à la survie cellulaire, ils auront lieu en fonction de la substance considérée (eau, nutriments, ions, gaz etc…) soit de manière passive et sans dépense énergétique, soit de manière active, avec dans ce cas une consommation d’énergie, fournie par l’hydrolyse de l’ATP (exemple : la « pompe à sodium »). Les mécanismes de transport passif : diffusion et filtration qui l’un comme l’autre ne requièrent aucune dépense énergétique. La diffusion se fait toujours selon un gradient de concentration. Les substances vont du secteur où leur concentration est la plus élevée vers celui où elle est la plus faible jusqu’à l’obtention d’un équilibre. La diffusion peut être simple, facilitée ou osmotique :
— La diffusion simple : concerne des substances liposolubles et non chargées électriquement, telles que l’oxygène, le gaz carbonique, les acides gras et les vitamines liposolubles qui traversent la bicouche lipidique.
— La diffusion facilitée : concerne le glucose, les ions et les acides aminés.
— La diffusion osmotique : concerne spécifiquement les transferts d’eau dont la molécule, fortement polaire et par définition hydrophile, a théoriquement peu de chances de traverser la membrane lipidique, ce qu’elle parvient à faire grâce aux aquaporines. Via les aquaporines, les mouvements d’eau se font toujours dans le sens du gradient de concentration concerné de part et d’autre de la membrane plasmatique. L’eau traverse la membrane du secteur où la concentration en solutés est la plus faible (solution dite hypotonique) vers le secteur où elle est la plus forte (solution dite hypertonique). Ce mouvement mène à terme à un équilibre entre les deux solutions qu’on appelle alors isotoniques.
Autres fonctions de la membrane :

1/ Récepteurs pour la transduction des signaux : Certaines protéines en contact avec le milieu extracellulaire ont un site de liaison qui permet à un messager chimique de s’unir avec la protéine, ce qui peut provoquer des réactions chimiques dans la cellule

2/ Jonction intercellulaire : la grande majorité des cellules et principalement celles du tissu épithélial, sont étroitement associées. 3 facteurs contribuent à la maintenir ensemble :

  • Les glycoprotéines du glycocalyx servent d’adhésif
  • Membranes plasmiques ondulées et s’imbriquent comme des lego
  • Les jonctions membranaires (sérées, desmosomes ou communiquantes), qui sont le facteur le plus important

3/ Reconnaissance entre les cellules : grâce aux glycoprotéines. La surface de la cellule est collante et riche en glucides. Cette région est appelée la glycocalyx. Le glycocalyx permet aux cellules de se reconnaître entre elles (ex : spermatozoïdes et ovules, cellules du système immunitaire identifient bactéries). De plus, ce sont les glycoprotéines qui dont partie du glycocalyx qui sont responsable des différents groupes sanguins.
4/ Fixation au cytosquelette et à la matrice extracellulaire : Certains éléments du cytosquelette et de la matrice extracellulaire se fixent aux protéines ce qui permet à la cellule de garder sa forme.

Microvillosités : elles accroissent considérablement la superficie de la membrane plasmique et on les trouve le plus souvent sur les cellules absorbantes comme celles des tubules rénaux et des intestins

Lympho   Lymphocyte
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Taille de la cellule :

Elle est variable selon sa spécificité. Elle peut mesurer quelques microns (un micron étant égal à un millième de millimètre), comme par exemple le globule rouge qui mesure 7 microns, ou plusieurs centimètres comme certaines cellules musculaires.

Formes :

Elle est variable selon sa spécificité :

• cellules cubiques (tubes rénaux)
• cellules cylindriques (tube digestif)

• cellules étoilées (tissu osseux), etc …

 

Particularités liées à certaines cellules :
• les globules rouges et les plaquettes n’ont pas de noyau.
• les cellule nerveuse est incapable, à l’état adulte, de se diviser.
• les cellules reproductrices contiennent la moitié du capital chromosomique

 

II ) COMPOSITION DE LA CELLULE 

A. Substances organiques (nutriments)

• Protides
• Lipides
• Glucides

B. Substances minérales :

  • eau, soit 2/3 du poids total
  • sels minéraux

1) Protides :

Composition : carbone, hydrogène, oxygène, azote.
• Les protides les plus simples sont les acides aminés
• la combinaison de plusieurs acides aminés forme les polypeptides

• la combinaison des polypeptides forme les protéines.

Les lipides entrent également dans la constitution de la membrane cellulaire et de la membrane nucléaire.

2) Lipides :

Ou « corps gras ». Composition : carbone, oxygène, hydrogène.
Les lipides se trouvent à l’intérieur de la cellule sous deux formes :

• gouttelettes bien visibles (enclaves lipidiques9
• gouttelettes invisibles combinées aux molécules de protéines.

Les lipides entrent également dans la composition de la membrane cellulaire et de la membrane nucléaire.

3) Glucides (sucres) :

Composition : carbone, hydrogène, oxygène. Aliment de la cellule par excellence.

4) Eau :

Elément prépondérant de la cellule.
L’eau représente les deux tiers du poids total du corps humain.
Constitution chimique de la matière, sang, lymphe, eau de gonflement unissant les différentes substances organiques.

5) Sels minéraux :

• Chlorure de sodium (NaCl)
• Chlorure de potassium (KCl
• Magnésium (Mg+)
• Sulfates alcalins
• Phosphate de Calcium
• Bicarbonate de Sodium (NaCo2)

 

III ) LA VIE CELLULAIRE 

1. Nutrition
2. Respiration
3. Mobilité
4. Reproduction
5. Dégénérescence et mort.

La cellule est donc un être vivant qui se suffit à lui-même.

A) NUTRITION 

Pour qu’une cellule puisse vivre, il faut qu’elle trouve les matières premières indispensables à sa croissance, à l’entretien de son activité, à la réparation de son usure. Certaines substances peuvent franchir directement la membrane en se dissolvant dans ses constituants lipidiques (substances liposolubles). L’absorption de cellules volumineuses se fait par :

  • La phagocytose : la cellule émet des prolongements qui entourent la particule et l’incluentdans le cytoplasme,
  • La pinocytose : la membrane se plisse à l’intérieur du cytoplasme et entraîne les particules dans un canal qui se ferme ensuite.

Phagocytose

Une partie des matériaux ingérés peut être immédiatement utilisée par la cellule afin de :

  • élaborer les constituants qui vont remplacer le éléments usés.
  • produire de l’énergie
  • absorber des aliments.

D’autre part, la cellule peut également constituer des réserves. Ainsi, si les conditions extérieures deviennent défavorables, la cellule pourra résister.

  • La synthèse par la cellule de sa propre matière vivante s’appelle l’anabolisme.
  • La dégradation des constituants usés s’appelle le catabolisme.

Des échanges constants de matières existent entre la cellule et le milieu extérieur. C’est un trafic ininterrompu orienté dans les deux sens. La cellule est constamment en activité.

On appelle métabolisme cellulaire l’ensemble des transformations et des réactions des cellules : anabolisme et catabolisme.

 

B / RESPIRATION

A l’intérieur de la cellule,  se produisent des réactions chimiques : consommation d’oxygène et formation de gaz carbonique et d’eau. C’est la respiration cellulaire.Cette réaction chimique produit de l’énergie qui est utilisée par la cellule.

Certaines cellules empruntent l’O2 nécessaire au milieu extérieur, courant sanguin, liquides interstitiels : ces cellules sont appelées aérobies. D’autres forment cet O2 en elles mêmes, elles sont appelées anaérobies.

Respiration aérobie :

La cellule utilise l’O2 pour ses réactions chimiques, consommation d’O2 et formation de CO2 et H2O. Ces réactions chimiques produisent de l’énergie qui est utilisée par la cellule, c’est le cas pour la plupart des cellules du corps humain.

La mitochondrie est le siège de la respiration cellulaire, qui consiste à utiliser l’O2 pour produire de l’énergie à partir d’organites.

Respiration anaérobie  :

La cellule utilise non pas l’O2, mais d’autres substrats, tels des sels minéraux, pour sa production d’énergie. Ex : les bactéries.

Remarque : certaines cellules, comme la cellule musculaire, peuvent pratiquer les deux types de respiration, bien qu’elle préfère la respiration aérobie.

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C / MOBILITE

La cellule est sensible à des excitations diverses, variations brusques du milieu ambiant. L’excitation peut être de nature mécanique, mais aussi thermique ou chimique.

A ces excitants, la cellule réagit par des mouvements variables :

  • La turgescence (gonflement cellulaire)
  • La contraction (raccourcissement particulier aux cellules musculaires)
  • L’amiboïsme (possibilité de ramper : cette reptation est rendue possible par l’émission et la rétraction de prolongements cellulaires ou pseudopodes.

 

D/ CROISSANCE ET REPRODUCTION

De sa naissance à sa maturité, la cellule croît grâce à son anabolisme. Parvenue à maturité, la cellule  va se diviser et donner ainsi naissance à deux cellules filles. La division cellulaire peut s’effectuer selon deux modes différents :

  • L’amitose.

Division directe, est un étranglement successif du contenu de la cellule sans que ne survienne ni duplication ni répartition des chromosomes. Elle a pour conséquence de générer des cellules dissemblables, c’est le cas lors de néoplasies (cancers). Ce type de division est également observé chez certains leucocytes dont il signale le vieillissement normal. C’est également le mode de division des bactéries.

  • La mitose.

Le seul mode de division cellulaire observé chez les êtres pluricellulaires. Elle aboutit à la formation de deux cellules filles qui sont rigoureusement semblables entre elles, et qui sont identiques à la cellule dont elles sont issues.

Déroulement de la mitose cellulaire :

Mitose

 

Phases successives de la mitose :

Prophase :

  1. Migration des centrioles vers les pôles de la cellule
  2. Individualisation des chromosomes à l’intérieur du noyau
  3. Ceux ci sont de nombre et de forme caractéristiques de chaque espèce
  4. Support de caractères héréditaires

Métaphase :

Formation d’un fuseau entre les deux pôles de la cellule et disposition des chromosomes sur ce fuseau.

Anaphase :

Division longitudinale de tous les chromosomes en deux moitiés rigoureusement identiques. Migration de chaque moitié vers un pôle différent de la cellule.

Télophase :

Formation de deux noyaux fils : division du cytoplasme et formation des cellules filles. Ce mode de division assure la transmission à chaque cellule des caractères héréditaires. La mitose dure environ deux heures. La période comprise entre deux mitoses successives porte le nom d’interphase.

C’est pendant l’interphase que la division cellulaire se prépare. La cellule double son stock d’ADN, phénomène nécessaire à la mitose. Après la mitose, la cellule a le choix : Elle arrête de se diviser et remplit une fonction spécialisée, ou elle peut continuer à se diviser.

 

E / DEGENERESCENCE ET MORT DE LA CELLULE

On dit d’une cellule qu’elle est morte lorsque son anabolisme a définitivement cessé, qu’elle ne produit plus rien. La mort peut survenir de façon brutale par coagulation du protoplasme. Elle peut également survenir lentement, après une période d’agonie. La mort d’un organe intracellulaire entraîne celle des autres. Hormis le cas de mort cellulaire brutale par agression physique ou chimique, chaque cellule a une durée de vie limitée programmée dans ses gènes. Après la mort vient la période de nécrose, caractérisée par la destruction de la cellule.

Les enzymes libérées par les lysosomes attaquent alors les constituants de la cellule et il se produit une véritable autodigestion. Ce qui reste du cadavre cellulaire est phagocyté par d’autres cellules dites macrophages.

Chez les unicellulaires, toutes les fonctions sont remplies par la même cellule, appelée indifférenciée.

Chez les êtres pluricellulaires, chaque fonction est confiée à un groupe de cellules spécialisées. Toutes ces cellules sont appelées différenciées. Ce sont elles qui forment les tissus.

 

Type de question d’examen : Précisez en quelques mots le rôle des différentes structures cellulaires ?

ARN : (Acide ribonucléique). Cela réplication d’ADN qui va sortir du noyau, c’est un brin unique pour fabrique de protéines après être passé dans les ribosomes

Appareil de Golgi : désintoxication de l’organisme (antioxydant) et assembler les protéines (protéines chapon) préparé les vacuoles de sécrétion.

ADN : (Acide désoxyribonucléique).Double filament de base pyrimidique. Codé qui contient la information de construction et fonctionnement de la cellule, Il y a 1m20 d’ADN par cellule (30000 signaux).

Ribosomes : Organites du réticulum endoplasmique. Fabrique des protéines à partir des acides aminés et de l’ARN messager.

Vacuoles : vésicules de sécrétion qui vont gérer l’exocytose ou l’endocytose. Constituées à partir de l’extrémité de l’appareil de Golgi. Transporteur des protéines formées au sein de la cellule.

Mitochondries : c’est à un organite cellulaire spécialisé en la production de énergie sous forme ATP, synthétisé à partir de l’oxygène du glucose dans une réaction complexe (cycle de Krebs).