COURS IFSI

Cours Ifsi - Biologie fondamentale - la cellule (partie 1)

La biologie fondamentale (UE 2.1 S1) est un enseignement dense mais néanmoins indispensable aux étudiants en soins infirmiers. Ce premier cours s'inscrit dans une longue série qui, une fois par semaine s'enrichira d'une nouvelle contribution. Bonne lecture et bon travail d'assimilation !

1. Généralités sur la cellule

La cellule est une unité fondamentale, structurale et fonctionnelle des organismes vivants.

Elle peut remplir toutes les fonctions de l’organisme : le métabolisme, le mouvement, la croissance, la reproduction et la transmission héréditaire.

La cellule est une entité vivante qui fonctionne de manière autonome, mais, coordonnée avec les autres.

On distingue 2 types de cellules

  • Les cellules eucaryotes : elles possèdent un noyau et le matériel génétique est délimité par une structure membranaire.Exemple : l’homme, la levure
  • Les cellules procaryotes : elles ont leur propre matériel génétique libre dans la cellule et sont dépourvues de noyau.Exemple : Escherichia coli

Vue d'ensemble d'une cellule eucaryote

1. Nucléole - 2. Noyau - 3. Ribosome - 4. Vésicule - 5. Réticulum endoplasmique rugueux (granuleux) - 6. Appareil de Golgi - 7. Microtubule - 8. Réticulum endoplasmique lisse - 9. Mitochondrie - 10. Lysosome - 11. Cytoplasme (rempli par le cytosol) - 12. Peroxysome - 13. Centrosome

2. Structure de la cellule

2.1. La membrane cellulaire ou plasmique

La cellule est entourée par une membrane plasmique ou membrane cellulaire délimitant ainsi un espace intérieur et un espace extérieur.

Membrane cellulaire

2.1.1. Structure de la membrane plasmique

La membrane plasmique ou cellulaire est composée de phospholipides, de protéines et de molécules de cholestérol.

Les phospholipides sont amphiphiles.

Chaque élément lipidique possède un pôle hydrophile (qui aime l’eau, tourné vers l’extérieur) et un pôle hydrophobe (qui n’aime pas l’eau, tourné vers l’intérieur) se faisant face dans la bicouche lipidique.

Bien que la structure de base de la membrane plasmique (et de toute membrane biologique) soit déterminée par la double couche lipidique, la plupart des fonctions spécifiques sont portées par les protéines.

Structure de la membrane cellulaire

On distingue différentes formes d'associations protéiques à la membrane :

  • Les protéines transmembranaires ;
  • Les protéines membranaires intrinsèques ;
  • Les protéines membranaires périphériques.

2.1.2. Fonctions de la membrane plasmique

La membrane plasmique a plusieurs fonctions :

  • Protection de la cellule du milieu extérieur ;
  • Entoure les cellules, formant des compartiments fermés en séparant les unes des autres les cellules et permettant ainsi leur individualité ;
  • Échanges entre la cellule et le milieu extérieur soit par diffusion passive des molécules (pas besoin de transporteurs protéiques ni d’énergie) soit par transport actif (nécessité d’un transporteur protéique et d’énergie). Elle contrôle ainsi l’entrée des substances nutritives et le rejet des déchets ;
  • Reconnaissance de certains produits auxquels elle va réagir par le biais de récepteurs présents dans la membrane. Elle est donc une sorte de capteur de signaux externes permettant à la cellule de se modifier en réponse aux modifications de l’environnement ;
  • Identification de la cellule par la présence de cellules spécifiques telles que les protéines du système HLA, des groupes sanguins et rhésus.

2.1.3. Les transports membranaires

La membrane plasmique de par le caractère hydrophobe de la couche lipidique ne permet pas le passage de molécules polaires, cependant le fait que les cellules doivent régler les concentrations ioniques intracellulaires montre que la membrane est cependant perméable.

La cellule est vivante et se nourrit donc en puisant dans le milieu extra cellulaire les nutriments nécessaires au maintien de son activité et de sa croissance.

Elle rejette dans le milieu extra cellulaire les produits de dégradation inutiles ou toxiques.

C’est à travers la membrane plasmique ou à l’aide de celle-ci que vont s’effectuer les échanges.

Il existe 2 modes de transport transmembranaire : les molécules peuvent traverser la double couche par un mouvement spontané vers l’équilibre sans apport d’énergie, dans le sens du gradient de concentration on parle dans ce cas de transport passif.

2.1.3.1. Le transport passif

Il peut se faire sous forme de diffusion ou d'osmose.

2.1.3.1.1. La diffusion

La diffusion est le mouvement des molécules d’une zone où elles sont en concentration élevée vers une zone où elle est en faible concentration, elle suppose donc un gradient de concentration.

- La diffusion simple

Ce type de passage n'est possible que si la molécule est « soluble » dans la membrane phospholipidique, c'est-à-dire qu'elle peut traverser directement la bicouche de phospholipides.

La molécule doit donc être hydrophobe (apolaire) ou, si elle est hydrophile (polaire), être suffisamment petite (en pratique : éthanol).

Les caractéristiques de ce transport sont :

  • une absence de saturation, la vitesse de diffusion dépend uniquement de la différence de concentration (gradient de concentration, ou électrochimique pour des ions) ;
  • une absence de spécificité (il n'est pas régulé) ;
  • et une certaine lenteur : les molécules doivent se dissoudre dans la double couche de phospholipides avant de passer de l'autre côté.

Ce mécanisme est lent par rapport à la diffusion facilitée.

Les substances non polaires comme l’oxygène, les déchets comme le dioxyde de carbone et l’urée, les graisses, diffusent à travers la membrane plasmique en se liant à ses composés phospholipidiques.

L’oxygène pénètre dans la cellule tandis que le dioxyde de carbone en sort.

La diffusion

- La diffusion facilitée

Comme la diffusion libre, la différence de concentration est le moteur du transport. Cependant, la molécule ne traverse pas directement la membrane, elle doit utiliser une protéine transmembranaire de transport :

  • Les protéines de canal (canaux ioniques) : elles ne doivent pas changer de forme pour permettre le passage.

Ce transport par les protéines de canal est :

  • très spécifique : elles ne laissent passer qu'une ou quelques sortes de molécules et pas d'autres ;
  • extrêmement rapide ;
  • et régulé, les protéines de canal ont la capacité de se fermer.

Les transporteurs protéiques : ils changent de forme pour déplacer des molécules d’un côté à l’autre d’une membrane.

Les diffusions simple et facilitée avec animation

2.1.3.1.2. L’osmose

L’osmose est le processus de la diffusion appliquée à l’eau.

Les molécules d’eau se déplacent pour diluer le milieu le plus concentré jusqu’à ce qu’il y ait éventuellement équilibre des concentrations.

Ce mécanisme est à la base de l’équilibre hydro-électrolytique.

Exemple : les hématies.

Si on dépose une cellule (contenant des solutés) dans un liquide, la membrane cellulaire délimite un compartiment extracellulaire et un compartiment intracellulaire.

Il y a 3 cas de figure :

  • Le liquide extracellulaire contient moins de soluté non diffusible que la cellule, de l’eau entre dans la cellule, on dit que la solution est hypotonique. La cellule gonfle. Elle augmente de volume et peut même éclater. On dit qu’il y a lyse cellulaire ou hémolyse.
  • Le liquide extracellulaire a la même concentration en soluté que le liquide intracellulaire, on dit que la solution est isotonique.
  • Le liquide extracellulaire est plus concentré en soluté que le liquide intracellulaire, on dit que la solution est hypertonique.

De l’eau diffuse hors de la cellule, la cellule se rétrécit.

Ces 3 cas sont très importants surtout en application lorsqu’on injecte des solutés aux patients.

2.1.3.2. Le transport actif

Un transport actif exige de l’énergie et l’intervention de protéines.

Le transport actif est un processus nécessitant de l’énergie fournie par hydrolyse de l’ATP pour rendre la structure transporteuse capable de fonctionner contre un gradient de concentration, en l’absence de gradient de concentration et quand la substance est incapable de diffuser à travers la membrane plasmique.

Ce transport nécessite un transporteur d’origine protéique, appelé souvent pompe. Il est situé dans la membrane plasmique et joue le rôle d’un passeur.

Son travail requiert de l’énergie.

Les acides aminés, le glucose (pour pénétrer dans la cellule) et les électrolytes comme le sodium et le potassium sont des substances nécessitant un transport actif.

- La pompe Na+/K+/ATPase

  • La concentration des ions sodium est supérieure à la concentration du sodium à l’intérieur, ils devraient donc entrer dans la cellule ;
  • Le sodium entre Mais, il est expulsé vers l’extérieur par la pompe qui fonctionne grâce à l’énergie qui provient du métabolisme ;
  • Pour les ions potassium c’est l’inverse, c’est-à-dire qu’il est refoulé vers l’intérieur de la cellule.

- La pompe Ca++/ATPase

  • Même principe que la pompe sodium. Elle existe au niveau de la membrane plasmique et du réticulum endoplasmique ;
  • Le Ca++ sort du cytoplasme vers le milieu extérieur. Il entre dans le réticulum endoplasmique.

- La pompe H+/K+/ATPase

  • Les ions K+ entrent et les ions H+ sortent ;
  • Cette pompe existe dans les cellules sécrétrices de l’estomac, dans les cellules de l’épithélium rénal.

Le transport actif nécessite de l'énergie pour transporter des molécules contre le gradient de concentration (du milieu hypotonique vers le milieu hypertonique).

Ce transport se fait toujours par l'intermédiaire de protéines présentes dans la membrane cellulaire.

Ces protéines transpercent la membrane de part en part et fonctionnent comme des portes. Ce sont les protéines de transport.

Il y en a 3 différentes :

  • protéine de type uniport: transport d'une seule substance dans une direction ;
  • protéine de type symport: transport de 2 molécules différentes dans la même direction ;
  • protéine de type antiport: transport de 2 molécules différentes dans des directions opposées.

Les protéines de transport

2.1.3.3. Les autres types d’échanges
2.1.3.3.1. L’endocytose

L’endocytose se produit par invagination de la membrane plasmique.

En s’invaginant elle capture des éléments pour former des vacuoles que l’on retrouve à l’intérieur de la cellule.

Elle est de 2 types :

  • La phagocytose correspond à la capture de particules solides plus ou moins grosses.

    Exemple : cellules sanguines, cellules intervenant dans la défense immunitaire.

  • La pinocytose correspond à la capture de petites quantités de liquide extra cellulaire.
2.1.3.3.2. L’exocytose

L’exocytose permet aux substances intracellulaires d’être déversées dans le milieu extra cellulaire.

Les produits à rejeter sont emprisonnés dans des vacuoles puis déversés hors de la cellule.

Il y a alors fusion de la membrane de la vacuole avec la membrane plasmique.

Exemple : libération d’hormones, de neurotransmetteurs.

Mécanismes d’endocytose et d’exocytose

2.2. Le cytoplasme

Le cytoplasme désigne le contenu d'une cellule vivante.

Plus exactement, il s'agit de la totalité du matériel cellulaire délimité par la membrane plasmique.

Le milieu intracellulaire se compose d'un liquide appelé hyaloplasme ou cytosol, laquelle matrice contient des organites.

2.2.1. Le cytosol

Le cytosol est constitué en moyenne de 85 % d'eau, Mais, il cependant plus visqueux.

Le ph est neutre et est de 7.

C'est dans ce milieu que l'ensemble des organites de la cellule baigne et que les principales activités cellulaires se déroulent.

On y trouve aussi des molécules simples, des macromolécules, des gaz dissous (Oxygène et dioxyde de carbone), des ions.

Le cytoplasme est l'ensemble du cytosol et des organites qu'il contient.

2.2.2. Les organites

2.2.2.1. Les organites non entourés d'une membrane
2.2.2.1.1. Le cytosquelette

Ce réseau fibreux, de nature protéique, constitue à la fois un squelette et une musculature pour les cellules.

Il sert à maintenir la forme de la cellule et il intervient également dans les mouvements internes, les déplacements, ainsi qu'au cours de la division cellulaire.

cytosquelette

2.2.2.1.2. Les ribosomes

Ce sont des sphères qui peuvent être libres ou associées au RE et participent à la synthèse protéique à partir d'ARN (traduction).

Leur fonction est de synthétiser les molécules de protéines à partir des acides aminés. Ils utilisent les ordres donnés par le noyau.

Ribosomes

2.2.2.1.3. Le centrosome

Le centrosome est constitué de deux centrioles.

Ce sont des éléments tubulaires intervenant dans la division cellulaire.

Le centriole est une structure cellulaire intracytoplasmique constituée de 9 triplets de 3 tubules.

Chaque cellule contient 2 centrioles (perpendiculaire et ne se touchant pas) et l'ensemble forme le centrosome qui est toujours à proximité du noyau.

Leur fonction est de diriger tels des aimants le sens de la division cellulaire.

Centrosome

Centrosome

2.2.2.2. Les organites entourés d'une membrane
2.2.2.2.1. Réticulum endoplasmique

Les réticulums endoplasmiques (RE) sont des organites avec une double membrane intracellulaire et ressemblent à un amas de replis formant des cavités appelées « citernes ».

Ils sont en continuité avec la membrane du noyau.

Le réticulum endoplasmique granuleux(REG) ou réticulum endoplasmique rugueux (RER) a sa surface recouverte de ribosomes qui assemblent les acides aminés en protéines suivant l'information venue du noyau.

Le réticulum endoplasmique lisse (REL) n'en porte pas.

Il intervient dans la synthèse de lipides (phospholipides, acides gras...), détoxification des cellules (transformation de molécules toxiques en molécules atoxiques) et le stockage du calcium.

Réticulum

1-Noyau - 2-Pore nucléaire - 3-Reticulum endoplasmique granuleux (REG) ou rugueux (RER) - 4-Reticulum endoplasmique lisse (REL) - 5-Ribosome sur le REG - 6-Protéines transportées - 7-Vésicule golgienne - 8-Appareil de Golgi - 9-Face cis de l'appareil de Golgi - 10-Face trans de l'appareil de Golgi - 11-Citerne de l'appareil de Golgi.

2.2.2.2.2. Appareil de Golgi

Il est formé de sacs aplatis les uns sur les autres.

Son rôle est de stocker les protéines issues du réticulum endoplasmique rugueux, d'achever leur maturation et de les sécréter.

Il participe au processus de sécrétion.

Les protéines à sécréter sont concentrées dans des vésicules issues des extrémités de l'appareil de Golgi.

Ces vésicules sont déversées dans le milieu extracellulaire par exocytose.

Appareil de Golgi

2.2.2.2.3. Lysosomes

Ce sont des vésicules contenant des enzymes hydrolytiques qui proviennent du RE ou de l'appareil de Golgi.

Ces enzymes servent à digérer les macromolécules inutilisables telles que les organites détruits ou abimés, les substances toxiques...

C'est la digestion cellulaire.

Lysosome

2.2.2.2.4. Mitochondries

Ce sont des organites en forme de haricot de très petite taille, ressemblant à de petits bâtonnets et possédant une double membrane intracellulaire.

La membrane interne forme des replis appelés " crêtes ", qui s'imbriquent dans une substance appelée " matrice ".

Au niveau de la membrane interne et dans la matrice, on trouve de nombreuses enzymes responsables de la dégradation des nutriments sous forme simple, tel le glucose.

Ces dégradations se déroulent en présence d'oxygène et portent le nom de "respiration cellulaire ".

Elles permettent aux mitochondries de former de l' ATP, source d'énergie de la cellule.

Le nombre de mitochondries d'une cellule dépend de l'intensité de son activité : une cellule musculaire, par exemple, en possède beaucoup.

L'ATP est utilisé pour l'ensemble des activités de synthèse de la cellule ainsi que pour le transport actif.

Les mitochondries possèdent leur propre matériel génétique, qu'on appelle " ADN mitochondrial ".

Elles peuvent synthétiser environ 10 % de leurs propres protéines grâce à la dizaine de gènes de leur ADN.

Les autres protéines mitochondriales proviennent du travail de synthèse exécuté par les ribosomes.

Mitochondrie

2.2.2.2.5. Vacuoles

Ce sont des cavités sphériques et mobiles qui contiennent des substances stockées par les cellules ou bien des déchets à éliminer.

Vacuole

2.2.2.2.6. Noyau

Il est visible dans la cellule lorsqu'elle ne se divise pas (interphase).

Il est limité par l'enveloppe nucléaire et contient :

  • la chromatine qui est constituée d'ADN (support génétique de la cellule) ;
  • le nucléole qui est constitué d'ARN qui associé à des protéines donnera naissance aux ribosomes.

Il a un diamètre variant de 10 à 20 µm (le plus gros des organites) et est entouré par une double membrane appelée membrane nucléaire.

Cette membrane nucléaire contient des pores permettant les échanges nucléo-cytoplasmiques dans les 2 sens.

Le nucléoplasme est le liquide dans lequel baignent les éléments contenus dans le noyau.

Il a 2 fonctions principales :

  • contrôler les réactions chimiques du cytoplasme ;
  • stocker les informations nécessaires à la division cellulaire.

Noyau

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