Paramédical 2
Paramédical 2
CH. 2 – LA CELLULE VIVANTE
L’ESSENTIEL
Texte de synthèse
Principaux tissus
Tableau de synthèse
ORGANISATION DU VIVANT
TECHNIQUES D’ETUDE DE LA CELLULE
Les dimensions du vivant
La microscopie photonique
La microscopie électronique
L’ORGANISATION CELLULAIRE
Les différents tissus
Les organites cellulaires
LA MEMBRANE CELLULAIRE
Vue d’ensemble de la membrane
Les protéines membranaires
LE NOYAU
L’information génétique
Du gène au polypeptide
LE METABOLISME
Vue d’ensemble du métabolisme
Métabolisme lipidique
Métabolisme glucidique
Vue d’ensemble du catabolisme
Elimination des déchets
LA DIVISION CELLULAIRE
La mitose dans le cycle cellulaire
La réplication de l’ADN
LA NECROSE ET L’APOPTOSE
Homéostasie et nécrose
L’apoptose
LE VIEILLISSEMENT
Théorie du vieillissement
Vieillissement corporel
Les radicaux libres
LE CANCER
Evolution du cancer
Les métastases
Principaux cancers
LE THERAPIE CELLULAIRE
Principe de la thérapie cellulaire
Les cellules souches adultes
Les cellules souches embryonnaires
L’observation microscopique des différents organes constituant le corps humain montre toujours la même organisation : des tissus formés de cellules. La cellule est donc l’unité de construction et de fonctionnement des êtres vivants. Elle est capable de se nourrir, de se reproduire et de communiquer avec son environnement.
l’essentiel
L’observation microscopique des différents organes constituant le corps humain montre toujours la même organisation : des tissus formés de cellules. La cellule est donc l’unité de construction et de fonctionnement des êtres vivants. Elle est capable de se nourrir, de se reproduire et de communiquer avec son environnement.
*Le corps humain est structuré à différentes échelles. Cette multitude de niveaux d’organisation confère à l’organisme une incroyable complexité : l’appareil qui contrôle une fonction vitale est formé d’organes ; chaque organe tire sa spécificité des tissus (1) qui le constituent.
*De forme (2) variée d’un tissu à l’autre, la cellule (3) est constituée des éléments suivants :
- Une membrane plasmique, zone de communication qui règle les échanges avec le milieu extérieur.
- Du cytoplasme, substance hyaline contenant les organites. Chaque organite cellulaire possède une fonction bien définie qui permet à la cellule de produire de l’énergie, transporter ou élaborer des substances essentielles à son métabolisme et se reproduire.
- Un noyau (4) qui renferme l’information génétique nécessaire au fonctionnement (5) et à la reproduction cellulaire. L’ADN (6), support du génome, est une double hélice constituée de 2 chaînes de nucléotides (1 acide + 1 sucre + 1 base azotée). Sa forme condensée, associée à des protéines (histones) constitue les chromosomes qui s’individualisent uniquement lors de la division cellulaire (mitose).
*La mitose permet la croissance de l’organisme. Elle correspond à l’élaboration de 2 cellules filles identiques à partir d’une cellule mère. Ce processus nécessite la duplication des chromosomes.
*Le fonctionnement cellulaire est assuré par les nutriments sanguins (7). Une partie des éléments ingérés est immédiatement utilisée dans différentes voies métaboliques, l’autre partie est mise en réserve. L’ensemble des réactions biochimiques de synthèse (anabolisme) ou de dégradation (catabolisme), qui ont lieu dans la cellule, constitue le catabolisme.
*La cellule produit sa propre énergie grâce à la dégradation de certains métabolites (Aa (8), AG (9), glucose). Dans la mitochondrie, une cascade de réactions d’oxydo-réduction permet d’obtenir, en présence d’O2 (10), de l’énergie sous forme d’ATP (11) : c’est la respiration cellulaire, qui produit des déchets (CO2 (12), eau, produits azotés…).
*La cellule est en contact étroit avec son environnement grâce à la présence de récepeteurs. Ces récepteurs contrôlent les échanges ioniques, et sont activés par des agents extérieurs (hormone, neurotransmetteur, médicament).
Les cellules de l’organisme peuvent avoir plusieurs devenirs : croissance indifférenciée (cas des cellules souches), croissance suivie de différenciation (cas de la plupart de nos cellules), mutation d’oncogènes de l’ADN suivies de croissance indifférenciée (cas des cellules cancéreuses), vieillissement et altération suivis de mort (13) cellulaire (nécrose ou apoptose).
ETYMOLOGIE
(1) Histo-
(2) Morpho-
(3) –cyte, cyto-
(4) Nuclé-
(5) Physio-
(6) Acide désoxyribonucléique
(7) Hémo-, -émie, hémat-
(8) Acide aminé
(9) Acide gras
(10) Dioxygène
(11) Adénosine triphosphate
(12) Dioxyde de carbone
(13) Nécro-
- GAMETES
- Ovocytes (O)
- Spermatozoides (S)
- TISSU PANCREATIQUE
- Endocrine (En)
- Exocrine (Ex)
- TISSU NERVEUX
- Corps cellulaire (CC) d’un neurone
- TISSU OSSEUX
- Ostéon (O)
SCHEMA DESCRIPTION FONCTION
MEMBRANE
Protéine membranaire Du côté du liquide Double couche de phospholipides -délimite le volume cellulaire
extra-membranaire -régule les échanges cellulaires (suivant différents
Pore Paroi membranaire Protéines membranaires mécanismes de transport)
Phospholipide De chaque côté de la Pores -crée et maintient la ddp (1) (=potentiel de membrane)
paroi, entre les pores entre LIC et LEC (2)
-zone de communication (molécule de reconnaissance
immunitaire, des ligands hormonaux et neurotransmetteurs…)
-zone de liaisons enzymatiques
CYTOPLASME
Cytosol Liquide Solution colloidale riche en Lieu principal du métabolisme (catablisme et anabolisme)
molécules dissoutes Contient les organistes cellulaires
Mitochondrie Elément Limitée par une double membrane Production d’ATP (3)
Membrane interne riche en enzymes
Réticulum Elément Système membranaire interne Synthèse protéique et transport des
Ribosome Elément Particules denses d’ARN (4) protéines à l’intérieur de la cellule
Appareil de Golgi 3 éléments Vésicules + saccules = dictyosome Maturation des protéines
Lysosome Elément rond Vésicules riches en enzymes Digestion intracellulaire
Cytosquelette Barre Microfilaments et microtubules Forme de la cellule et mouvements cellulaires
Centrosome 3 petites barres 2 centrioles Base des cils et des flagelles
(2*9 groupes de 3 microtubules) Fuseau mitotique
NOYAU
Enveloppe nucléaire Membrane Double membrane avec pores Echanges noyau / cytoplasme
Réticulum Hors du noyau Membrane externe
En relation avec le RE (5) Support des informations nécessaires au
Nucléole Noyau Particules denses d’ARN ribosomal fonctionnement cellulaire (gènes)
Chromatine Intérieur ADN entouré de protéines histones Point de départ de la synthèse protéique et
de la division cellulaire
DEFINITIONS
(1) Ddp : Ou différence de potentiel. La ddp membranaire résulte d’une répartition inégale des charges ioniques de chaque côté
de la membrane.
(2) LIC / LEC : Ou liquide intracellulaire et liquide extracellulaire. Leur composition électrolytique différente explique la ddp membranaire.
(3) ATP : L’adénosine triphosphate est un nucléotide instable qui perd facilement un acide phosphorique. Cette dégradation s’accompagne
d’une libération d’énergie nécessaire aux réactions métaboliques.
(4) ARN : Les acides ribonucléiques sont des chaînes de nucléotides indispensables à la synthèse des protéines. Il en existe 3 types (ARNm,
ARNt et ARNr).
(5) RE : Ou réticulum endoplasmique. C’est un système membranaire intracellulaire qui définit des cavités dans lesquelles circulent de
nombreuses protéines.
organisation du vivant
Le corps humain est structuré à différentes échelles. Cette multitude de niveaux d’organisation confère à l’organisme une incroyable complexité.
ECHELLE DE L’INDIVIDU - le mètre m
Le corps humain est constitué de nombreux systèmes imbriqués les uns dansles autres. Chaque système, constitué d’organes, « gère » une fonction (locomotion, digestion, respiration, circulation, excrétion, défense de l’organisme, communication nerveuse et endocrine, reproduction et gestation).
SCHEMA : ECHELLE DE L’INDIVIDU
Cerveau, poumon, cœur, rein, tube digestif.
echelle de l’organe – le centimètre cm
1 cm = 10 puis. -2 m
Un organe est une structure participant à la fonction d’un système. Les organes sont constitués de tissus.
SCHEMA : ECHELLE DE L’ORGANE
Hypothalamus, vaisseau sanguin, hypophyse.
echelle tissulaire – le millimètre mm
1 mm = 10 puis. -3 m
Les tissus sont composés de cellules qui entrent dans la composition des organes.
Chaque tissu a un rôle très spécialisé. Le sang est un tissu composé de cellules (globules rouges, globules blancs et plaquettes) baignant dans un liquide (le plasma).
SCHEMA : ECHELLE TISSULAIRE
Cellules sanguines, plasma, vaisseau sanguin.
echele cellulaire – le micromètre µm
1 µm = 10 puis. -6 m
La cellule est l’élément de base du tissu. Les cellules se reproduisent, se nourrissent, évacuent leurs déchets…
Dans le sang, les globules rouges sont des cellules qui transportent les gaz respiratoires, tandis que les globules blancs sont des cellules participant à la défense de l’organisme.
SCHEMA : ECHELLE CELLULAIRE
Globule rouge, globule blanc.
echelle moleculaire – le nanometre nm
1 nm = 10 puis. -9 m
Les cellules sont constituées de molécules dont la structure est complexe.
Ici, l’hémoglobine qu’on trouve dans les globules rouges, assure le transport de l’oxygène des poumons vers les organes.
SCHEMA : ECHELLE MOLECULAIRE
echelle atomique – angstrom A
1 A = 10 puis. -10 m
L’élément de base de la molécule est l’atome.
La matière vivante est constituée de 4 principaux atomes : le carbone C, l’hydrogène H, l’oxygène O et l’azote N. L’atome est constitué d’un noyau central (protons et neutrons) entouré d’électrons.
techniques d’etude de la cellule
C’est Robert Hooke puis Anton Leeuwenhoek, qui vers 160, mettent au point les premiers « microscopes » et font les premières observations cellulaires, malgré la qualité insuffisante des optiques utilisées (aberration chromatique). Actuellement, divers microscopes (M) sont utilisés : le M. photonique, le M. confocal, le M. électronique et le M. à effet tunel (1).
(1) Inventé par Erwin Muller en 1930, ce microscope permet de visualiser la surface d’un échantillon de l’atome.
echelles
Les éléments du vivant peuvent être figurés sur une échelle logarithmique. Si l’homme est de l’ordre du mètre, ses cellules mesurent entre 5 et 50 µm.
A titre comparatif, un homme est 1 million de fois plus grand qu’une plaquette (la plus petite des cellules humaines), laquelle est 100 millions de fois plus grande qu’un noyau d’atome.
1 A 1 nm 10 nm 0,1 µm 1 µm 10 µm 0,1 mm 1 mm 1 cm 0,1 m 1 m 10 m
10 puis.-9m 10 puis.-6m 10 puis.-3m
Visible à l’œil nu----------------------------------------
M. Tunnel- M. photonique-------------------------
M. électronique----------------------------------------------------------------
Globules rouges Œuf de poule Taille humaine
Virus Plaquettes Cellules végétale Taille des grandes cellules (neurones)
Atomes ADN Macromolécules Bactéries
BIOPHYSIQUE HISTOLOGIE-----------------------
CYTOLOGIE------------------------- ANATOMIE----------------------------------------------
Précision sur les dimensions :
1 µm (micromètre) = 10 puis.-6 m
1 nm (nanomètre) = 10 puis.-9 m
1 A (angstrom) = 10 puis.-10 m
la microscopie photonique
MO (microscope optique)
PRINCIPE DU MICROSCOPE
La lumière (photons) traverse l’objet puis la lentille objectif, laquelle forme l’image qui est ensuite agrandie par la lentille oculaire.
LE POUVOIR RESOLUTION (PR)
C’est la plus petite distance visible entre 2 points distincts.
PREPARATION DES ECHANTILLONS
Le microscope permet l’observation directe de cellules isolées. Pour les biopsies et les tissus (épais et non transparents), une préparation en 4 étapes est nécessaire : la fixation, l’inclusion, la coupe (au microtome) et la coloration.
Œil
Lentille oculaire
Schéma Lentille objectif
du Objet +/- transparent
microscope Condenseur et diaphragme
Lumière
STRUCTURE TRAJET LUMINEUX
CELLULES GLANDULAIRES
Coupe de pancéas ayant subi une fixation et une coloration. On distingue en violet, le cytoplasme ; les points denses sont les noyaux des cellules.
mc (microscope confocal)
PRINCIPE DU MICROSCOPE
- Un faisceau laser (= lumière d’excitation) balaye point par point un plan unique de l’objet.
- L’objet renvoie une lumière fluorescente (dite lumière d’émission) qui traverse un miroir dichroique.
- Le diaphragme élimine les signaux lumineux qui sont hors du plan focal : un seul plan de l’objet est donc observé.
- Le signal est détecté et amplifié par un photo-multiplicateur (PTM) avant d’être acquis sur ordinateur.
LA COLORATION
On peut utiliser des colorants particuliers, les fluorochromes qui sont excitables par les lasers et émettent en retour une lumière fluorescente.
Ecran PTM Trajet lumière d’excitation
Ordinateur I
PTM (4) Miroir Laser
Diaphragme (3) I !
Miroir dichroique (2) Objectif Miroir
Laser I !
Objectif Objet Objectif
Lumière d’émission (1) !
Plan d’observation de l’objet Trajet lumière d’émission Objet
Balayage du faisceau laser
PRINCIPE
CELLULE CARDIAQUE
Image d’une cellule cardiaque en 3 dimensions, colorée grâce à 2 fluorochromes : en rose, la membrane plasmique ; en jaune, les mitochondries.
40 à 100 kV Filament métallique chauffé 1 à 10 kV
Anode
Faisceau d’électron
Condenseur
Diaphragme
Objet Objectifs Vide poussé
Sonde Objet
Electrons secondaires
Plaque fluorescente
Ecran d’observation
Plaque photo
Vide poussé
met (microscope electronique a transmission)
PRINCIPE DU MICROSCOPE
Les électrons émis par l’anode du MET sont plus ou moins absorbés par l’objet puis forment une image sur un écran fluorescent ou une plaque photographique.
LE POUVOIR RESOLUTION (PR)
Du fait de la longueur d’onde du faisceau d’électrons, le PR atteint quelques nanomètres.
PREPARATION DES ECHANTILLONS
Les échantillons subissent plusieurs étapes de préparation avant l’observation : fixation, déshydratation, inclusion, coupe à l’ultramicrotome, et enfin coloration.
CELLULES INTESTINALES
Le MET pemt de voir des structures telles que les microvillosités (MV) ou la chromatine (C) dans les noyaux (N).
MEB (microscope electronique a balayage)
PRINCIPE DU MICROSCOPE
Les électrons du MEB balaient rapidement l’objet. La surface de l’objet réfléchit une partie des électrons (électrons secondaires), qui sont captés par une sonde puis analysés.
UTILISATION
Observation des surfaces. La technique dite de cryofracture permet par exemple d’observer les protéines dans les bicouches lipidiques des membranes.
PREPARATION DES ECHANTILLONS
Les échantillons sont déshydratés et leur surface est ombrée (dépôt métallique avant l’observation).
CELLULES NERVEUSES
Dendrites (D), corps cellulaire (CC) et axones (A) sont bien visibles sur ce cliché MEB.
l’organisation cellulaire
Les cellules se groupent pour former des tissus. Chaque tissu est spécifique d’une fonction. Il existe 4 types de tissus.
differents tissus
- LE TISSU EPITHELIAL a un rôle de revêtement, de sécrétion, de filtration, d’excrétion… Certaines cellules épthéliales modifiées forment des récepteurs sensoriels.
- LE TISSU CONJONCTIF (cartilage, os, sang). Il a un rôle de soutien et de protection. La matrice extracellulaire est constituée de fibres qui assurent la résistance, l’étirement et le soutien tissulaire.
Les muqueuses et séreuses sont des associations des tissus épithéliaux et conjonctifs.
- LE TISSU NERVEUX formé des neurones et des gliocytes.
- LE TISSU MUSCULAIRE (tissu strié, cardiaque ou lisse) composé par les myocytes.
epithelium
Cellule cillée dépasse, en franges munies de cils
Cellule à mucus espaces inter-cellules cillées
Cellule basale posée sur la lame basale
conjonctif
Lame basale sépare l’épithélium du tissu conjonctif
Fibroblaste élément muni d’un noyau
Fibre élastique réseau
Collagène longues tiges, plus épais que la fibre élastique
Adipocyte cellule ronde
Mastocyte cellule ronde munie d’un noyau et de petits éléments
Fibre réticulaire réseau plus fin que la fibre élastique
Macrophage cellule non lisse munie d’un noyau
La cellule constitue la plus petite unité structurelle et fonctionnelle des organismes vivants. De forme très différente d’un tissu à l’autre et spécialisées pour les diverses fonctions de l’organisme, les cellules ont en commun leur structure :
- La membrane plasmique limite la cellule
- Le cytoplasme contient des organites
- Le noyau renferme l’information génétique.
cellule en MET
Membrane plasmique
Cytoplasme
Noyau
Organites : (M) mitochondrie
(R) réticulum
(C) centrosome
(G) appareil de Golgi
(LP) lysosome et péroxysome
MITOCHONDRIE
Organite en forme de bâtonnet qui possède une double membrane et un ADN particulier. La membrane interne forme des crêtes (flèches) où s’effectue la synthèse d’ATP lors de la respiration cellulaire.
Schéma : crêtes internes.
APPAREIL DE GOLGI
Empilement de vésicules aplaties (saccules, (S)) où s’effectue la maturation des proteines produites par la cellule avant leur excrétion via les vésicules golgiennes (V).
Schéma : S aplaties ; V petits ronds.
RETICULUM ENDOPLASMIQUE
Réseau de membranes intracellulaires. Certaines zones sont riches en ribosomes (flèches). Lieu de la synthèse protéique et du transport des protéines.
Schéma : on distingue le RE rugueux (petits points) et le RE lisse.
CENTROSOME
Le centrosome est une structure constituée de 2 centrioles perpendiculaires. Chaque centriole est constitué de 9 groupes de 3 microtubules.
Schéma : étoile à neuf branches.
CYTOSQUELETTE
Réseau complexe de filaments, ‘squelette’ et ‘musculature’ cellulaire. On distingue :
- Les microtubules
- Les filaments intermédiaires
- Les microfilaments.
Schéma : a. tubuline
b. deux filaments de kératine en torsion
c. actine
endocytose / exocytose
ENDOCYTOSE (a à b)
- Les particules à ingérer (flèches) s’agglutinent contre la membrane
- La membrane s’invagine et se referme sur les particules.
EXOCYTOSE (b à a)
Les particules cellulaires sont libérées dans le milieu extracellulaire.
Schéma : a. Particules (points noirs) collées contre la membrane
b. Membrane invaginée et particules (points noirs)
la membrane cellulaire
La membrane plasmique possède plusieurs rôles liés à sa structure complexe : réception et transduction des messages, maintien du gradient électrochimique, communication avec d’autres cellules.
structure
Surface externe
Glycoprotéine
Glycolipide
Glucides
Pore protéique
Cholestérol
Protéine intégrée
Bicouche de phospholipides
Protéine périphérique
Cytosquelette
Epaisseur 5 nm
composition
Selon le modèle de la mosaique fluide, la membrane plasmique est constituée d’une bicouche de lipides dans laquelle sont intégrées différentes protéines.
Des glucides associés aux lipides (glycolipides) et aux protéines (glycoprotéines) recouvrent la couche externe et constituent le glycocalyx (région riche en glucides et enrobant la cellule).
glycoproteine
LEC
GLUCIDES assurent la communication et l’adhésion cellulaire
PONTS DISULFURES déterminent la structure spatiale de la protéine en liant des acides aminés soufrés
BICOUCHE DE PHOSPHOLIPIDES sépare LEC et LIC
PROTEINE INTEGREE molécule simple ou plusieurs sous-unités
PROTEINE PERIPHERIQUE liée à la protéine intégrée
LIC
Schéma de la protéine membranaire
lipides
- PHOSPHOLIPIDES (75%) assurent la fluidité membranaire (tête = glycérol + phosphate + base ; queue = 2 acides gras)
(base = choline, sérine, inositol ou éthanolamine)
- CHOLESTEROL (20 %) assure la rigidité membranaire
- GLYCOLIPIDES (5%) Participent à la communication et à l’adhésion cellulaire
- Glycocalyx 3 : extérieur de la membrane
- Pôle hydrophile 2 et 1 : surface de la membrane
- Pôle hydrophobe intérieur de la membrane
Schéma des lipides membranaires
fonctions des proteines
Les protéines membranaires assurent la plupart des fonctions de la membrane :
- Le déséquilibre ionique entre le LIC et le LEC est créé et entretenu par la pompe à Ma+ / K+ : c’est le potentiel de repos.
- Le transport à travers la membrane est assuré par différents mécanismes actifs (ATP-dépendant) ou passifs (diffusion, filtration selon des gradients de concentration ou de pression).
- Les interactions entre la cellule et son milieu sont en partie dépendantes des protéines membranaires.
- LA POMPE A SODIUM ET POTASSIUM
La pompe à Na+ / K+ ATPase assure l’expulsion des ions Na+ hors de la cellule et l’importation des ions K+. Ces échanges créent un gradient électrochimique : les ions Na+ sont concentrés à l’extérieur et les ions K+ à l’intérieur de la cellule. Il s’agit d’un transport actif c’est-à-dire consommateur d’énergie (ATP à ADP).
Schéma :
- Na+ entre dans la pompe du côté LIC
- Na+ sort de la pompe du côté LEC
- ATP transformé en ADP côté LIC
- K+ entre dans la pompe côté LEC
- K+ sort de la pompe côté LIC
- Conclusion : K+ entré et Na+ sorti.
- LES PROTEINES DE TRANSPORT
Les substances (ions, petites molécules) sont transportées à travers la membrane grâce à des protéines de transport formant des canaux spécifiques (pores, transporteurs).
Schéma :
- Le canal ou pore laisse passer les substances entre LEC et LIC.
- Le transporteur laisse entrer la substance côté LEC, et la laisse sortir côté LIC.
- Conclusion : Les ions passent du LEC au LIC et inversement.
- LES PROTEINES DE RECONNAISSANCE
Certaines protéines membranaires assurent une reconnaissance spécifique. Ex. de reconnaissance :
- Liaison ligand-récepteur (cas des hormones qui activent un second messager intracellulaire)
- Liaison enzyme-substrat (réactions du métabolisme)
- Liaison anticorps-antigène.
Schéma :
- Un récepteur reconnaît le ligand qui se fixe sur la membrane côté LEC, ce qui active un second messager côté LIC
- Une enzyme membranaire transforme un substrat en deux produits distincts côté LEC
- Un anticorps intramembranaire reçoit un antigène qui se fixe
- Conclusion : un ligand se fixe sur la protéine de reconnaissance côté LEC.
le noyau
Le noyau d’une cellule est limité par une double membrane perforée (nombreux pores permettant les échanges avec le cytoplasme). Le noyau contient le nucléoplasme liquide, la chromatine constituée d’ADN (1) et des nucléoles (zones denses constituées d’ARN (2) ribosomal).
(1) Acide désoxyribonucléique
(2) Acide ribonucléique
NOYAU d’une cellule au repos
Enveloppe nucléaire
Nucléole
Chromatine
Pore nucléaire
Nucléoplasme
CHROMOSOME d’une cellule en division
Les cellules humaines en contiennent 23 paires (22 paires d’autosomes et 2 chromosomes sexuels). Ils apparaissent par condensation de la chromatine (compaction à différents niveaux).
Compaction en boucles
Fibre nucléosomique (ADN + nucléosomes)
Histones nucléosomiques (4 paires constituent le nucléosome)
L’ADN est compacté grâce à ces nucléoprotéines formées de 100 à 220 acides aminés.
l’a.D.N. de la chromatine au gène
L’ADN est une molécule informative ; la séquence des nucléotides qui la constituent est un message codé : c’est l’information génétique.
On peut identifier des segments d’ADN, les gènes. Chaque gène contrôle la synthèse d’un polypeptide assurant une fonction cellulaire très précise.
Dans l’espèce humaine, on dénombre 30 000 gènes environ.
Schéma : ADN en « huit ».
AT TA
GC CG etc…
CG AT
AT GC
NUCLEOTIDE
Désoxyribose Glucide de type pentose
Acide phosphorique (avec ponts de phosphates de part et d’autre)
Base azotée A=Adénine
T=Thymine
C=Cytosine
G=Guanine
3 liaisons d’hydrogène en haut
2 liaisons d’hydrogène en bas
Les nucléotides sont reliés entre eux par des ponts phosphate qui unissent le carbone 3’ d’un désoxyribose au carbone 5’ du désoxyribose suivant.
LE DESOXYRIBOSE : Base – Pentose – CH2 – 5’
!
3’
liaisons HYDROGENE entre 2 nucléotides
Les bases sont unies entre elles par des liaisons hydrogène :
- A se lie à T par 2 liaisons
- C se lie à G par 3 liaisons
Schéma : N5H3 - N2O2H3CH3
N5HO - N3OH6
Un gene contient l’information nécessaire à la formation d’un polypeptide. Le gène est constitué d’une séquence de nucléotides définissant 3 zones fonctionnelles :
- Zone initiatrice et régulatrice de la transcription
- Zone codant pour l’ARN transcrit primaire. L’ARNm (1) est formé par l’excision des introns (2) et épissage des exons (3)
- Une queue polyA (suite d’adénines), qui stabilise l’ARNm.
(1) Acide ribonucléique messager
(2) Elimination des introns
(3) Soudure des exons, seules parties codantes de l’ARNm
structure d’un gene
Zone régulatrice de transcription
Zone promoteur fixation de l’ARN polymérase
Zone d’initiation contenant le 1er codon transcrit
Exons zones transcrites en ARNm et traduites en protéines I Exons et introns alternent
Introns zones transcrites en ARNm et non traduites en protéines I sur le brin d’ADN
Zone de fin de transcription signaux de queue polyA
Brin sens, non transcrit code identique à l’ARN
GENE brin transcrit, non sens
ARN transcrit primaire
ARNm
POLYPEPTIDE
la liaison peptidique
Les polypeptides sont des molécules constituées d’acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques : ce sont des liaisons qui confèrent à la molécule sa structure primaire (séquence d’acides aminés).
Schéma :
C2NH3OROH + C2NH3OROH à C2NH2ROH-C2NH3RO + H2O
LA LIAISON PEPTIDIQUE
le metabolisme
Les aliments que nous absorbons doivent être digérés en nutriments pour être assimilés. Les nutriments sontà leur tour transformés :
- En molécules plus petites pour produire de l’énergie et de la chaleur : c’est le catabolisme
- En molécules plus grosses qui servent au stockage et au renouvellement cellulaire : c’est l’anabolisme.
L’ensemble de ces réactions constitue le métabolisme.
metabolisme
- INGESTION
Les aliments dont nous nous nourrissons sont constitués de molécules complexes comme le glycogène (glucide), les triglycérides (graisses ou lipides) et les protéines.
- DIGESTION
Après l’ingestion débute la digestion : dans le tube digestif, les aliments sont dégradés en nutriments (acides aminés = Aa, acides gras = AG, glucose = G).
- ABSORPTION
Les nutriments traversent la paroi intestinale et passent dans le sang ou la lymphe : c’est l’absorption. Les vitamines, les sels minéraux et l’eau sont directement absorbés. Les éléments non absorbés constituent les déchets et sont excrétés dans les selles.
- TRANSPORT
Les nutriments sont transportés aux cellules.
- METABOLISME
Au niveau de la cellule, les nutriments sont appelés métabolites car ils participent aux réactions du métabolisme. On distingue deux types de métabolisme:
- L’anabolisme
- Le catabolisme
- LE CATABOLISME
Au cours des réactions du catabolisme, les métabolites sont dégradés en molécules plus petites afin de produire de l’ATP (= adénosine triphosphate). L’ATP est la molécule de réserve énergétique universelle qui sert à l’ensemble des processus cellulaires.
- ANABOLISME
Au cours des réactions d’anabolisme, les nutriments servent à la synthèse de nouvelles molécules en vue :
- du renouvellement cellulaire (les Aa sont notamment convertis en protéines)
- du stockage : les AG en lipides complexes et le G en glycogène.
Schéma : 1. Ingestion des aliments (Glycogène ; Triglycéride ; Protéine)
2. Digestion (par l’estomac)
3. Absorption (par l’intestin)
4. Transport (par le sang)
5. Métabolisme cellulaire (G, AG et Aa entrent dans la cellule)
6. Catabolisme (dans la cellule, G, AG et Aa donnent l’ATP)
7. Anabolisme 7a. AG et Aa servent à la synthèse de nouvelles molécules
7b. Stockage dans le foie et le tissu adipeux.
metabolisme des graisses
En période de jeûne (flèches noires), les graisses (triglycérides) du tissu adipeux sont converties en glycérol et en acides gras, lesquels, transformés en glucose et corps cétoniques, serviront à produire de l’énergie.
C’est l’inverse en période post-prandiale (=après le repas, flèches bleues), où les acides gras et le glycérol sont stockés sous forme de triglycérides.
Schéma : Triglycérides
! I
Glycérol Acides gras
! I ! I
Glucose Corps cétoniques
! !
--------à Energie (ATP) ß--------
Titre du schéma : Métabolisme des graisses
metabolisme du glucose
Le glucose peut avoir plusieurs devenirs en fonction des besoins de la cellule :
- Glycogénogenèse (formation du glycogène)
- Glycogénolyse (dégradation du glycogène)
- Glycolyse (dégradation du glucose)
- Néoglucogenèse (formation de glucose à partir des éléments finaux de la glycolyse – existe uniquement dans le foie).
Schéma : Glucose !: vers le bas
! I I : vers le haut
Glucose – 6 – P
! (1) I (2) ! (3) I (4)
Glycogène Pyruvate
! !
Stockage Energie
Titre du schéma : métabolisme du glucose
anabolisme / catabolisme
Anabolisme = stockage (état post-prandial)
! I
Catabolisme = dégradation (période de jeûne)
Pour survivre, les cellules ont besoin d’énergie (sous forme d’ATP). L’ATP est produit dans le cytoplasme et dans les mitochondries des cellules au cours de réactions particulières, dites du catabolisme énergétique.
catabolisme
- LES NUTRIMENTS
Tout part des nutriments (acides aminés = Aa ; acides gras = AG ; et le glucose = G) qui sont transportés dans le sang jusqu’aux cellules où ils sont en partie dégradés en molécules plus petites afin de produire de l’ATP.
- CATABOLISME DES GLUCIDES
Le G est converti en pyruvate (dans le cytoplasme) puis en acétyl-CoA (dans la mitochondrie). Cette série de réactions (glycolyse) produit 2 ATP et libère des H+ pris en charge par des équivalents réducteurs (ER) :
G à 2 acétyl-CoA + 2 ATP + 2 ER-H
- CATABOLISME DES LIPIDES
Les AG sont activés en acyl-CoA dans le cytoplasme (consommation d’ATP) puis convertis en acétyl-CoA dans la mitochondrie. Au cours de ces réactions dites de beta-oxydation, de nombreux H+ sont pris en charge par des ER.
AG + ATP à acyl-CoA à n acétyl-CoA + 2n ER-H
- CATABOLISME DES PROTIDES
Les Aa perdent ou gagnent des groupements NH3 au cours des réactions de transamination et désamination avec production d’urée qui est éliminée.
- VOIE FINALE DU CATABOLISME
L’acétyl-CoA (provenant du G et des AG) et les Aa désaminés sont pris en charge par le cycle de Krebs mitochondrial.
Au cours des réactions du Krebs, de l’ATP est produit et l’acétyl CoA est dégradé en molécules plus petites lors des réactions de décarboxylation (libération de CO2 qui est éliminé) et de déshydrogénation (libération d’ions H+ pris en charge par des ER) :
A-CoA à CO2 + ATP + 5 ER-H
- Les équivalents réducteurs (comme NADH + H+ et FADH2) transportent les H+ du cycle de Krebs et de la beta-oxydation vers la chaîne respiratoire mitochondriale. Là, sont produits de l’ATP en grande quantité et un « déchet », l’eau (H2O).
Schéma : 1. Nutriments entrent dans le sang artériel.
Une partie part vers le stockage.
Le reste passe dans la cellule.
2. G entre dans la cellule
G + ER + ADP à Pyruvate + ER-H + ATP
. 3. AG entre dans la cellule
AG à acyl-CoA
. 4. Aa entre dans la cellule
. 5. Dans la mitochondrie (matrice) :
Le pyruvate entre dans la mitochondrie et donne l’acétyl-CoA en dégageant du CO2
Puis cet acétyl-CoA donne (5) l’ER-H (chaîne respiratoire) en dégageant du CO2
Il y a production d’ATP au passage
L’acyl-CoA entre dans la mitochondrie
Puis est transformé en acétyl-CoA
L’Aa entre dans la mitochondrie en dégageant de l’urée
Et participe à (5).
. 6. ER-H + O2 (en provenance de l’extérieur de la cellule) + ADP à H2O + ATP
L’H2O part dans le sang veineux (sortie de la cellule)
L’ATP est produit dans le cytoplasme de la cellule
. 6. L’urée (dégagée par l’entrée de l’Aa dans la mitochondrie) part dans le sang veineux (sortie de la cellule)
.6. Le CO2 (dégagé par la transformation du Pyruvate en Acétyl-CoA, ainsi que par la réaction (5) qui produit l’ATP) part dans le sang veineux (sortie
de la cellule)
Le sang veineux part vers l’élimination.
Conclusion : De l’ATP est produit dans le cytoplasme de la cellule (énergie).
Le métabolisme cellulaire produit de nombreux déchets qui sont rejetés dans le sang. Pour maintenir l’homéostasie sanguine, le sang doit être épuré. Cette élimination des déchets de l’organisme s’effectue à différents niveaux, dans différents organes.
voies d’elimination
- LES POUMONS
Ils éliminent les déchets de la respiration cellulaire (CO2, H2O), au cours des échanges ventilatoires. L’air expiré riche en CO2 (4%) présente un fort taux d’humidité.
- LA PEAU
Elle élimine la sueur. Les organes en activité libèrent de la chaleur (thermogenèse), alors que la température du corps doit rester constante (thermorégulation). La sueur est alors un moyen efficace pour évacuer cet excédent de chaleur. En s’évaporant l’eau entraîne avec elle des sels minéraux et de l’urée.
- LE FOIE
Il épure le sang en transformant certaines substances comme :
- La bilirubine (issue de la dégradation des vieilles hématies)
- Le cholestérol
- Les produits de dégradation des hormones, des médicaments ou de l’alcool
- L’ammoniac (produit de dégradation du catabolisme des protéines, converti en urée).
- LE TUBE DIGESTIF
Il élimine les déchets de la digestion. Les substances non absorbées au niveau des intestins constituent les fèces.
- LES REINS
Ils jouent un rôle dans :
- L’épuration du sang (formation de l’urine)
- Le maintien du milieu intérieur (homéostasie) par une régulation des constantes de l’organisme (volémie, équilibre hydro-minéral, pH sanguin…).
Schéma : Le métabolisme cellulaire (au centre du schéma) produit des déchets vers :
- Les poumons (expiration)
- Le sang, la peau (sudation)
- Le foie (détoxication), suivi de
- Défécation
- Miction
la division cellulaire
La croissance de l’organisme est assurée par un cycle cellulaire durant lequel une cellule se divise en 2 cellules filles identiques à la cellule mère. Ce processus repose sur la réplication rigoureuse de l’ADN (matériel génétique commun à toutes les cellules de l’organisme). Les cellules en division suivent toujours le même cycle :
Entre 2 divisions, la cellule est en interphase : c’est une période de grande activité métabolique en 3 étapes (a). La cellule possède alors des chromosomes à 2 chromatides (chaque chromatide correspond à 1 molécule d’ADN) ; les chromatides restent reliées au niveau du centromère (zone où la réplication n’est pas terminée).
La mitose (période de division qui produit les 2 cellules filles) est décomposée en 4 étapes (b).
(a) G1 = croissance intense
S = réplication de l’ADN
G2 = synthèse des enzymes de la division
(b) P = prophase
M= métaphase
A= anaphase
T = télophase
mitose
- La mitose commence quand les chromatides se condensent et deviennent visibles, les chromosomes apparaissent : c’est la prophase.
- Durant la métaphase, les chromosomes bien individualisés se placent sur l’équateur de la cellule (plaque équatoriale). L’enveloppe nucléaire a disparu et un fuseau mitotique s’est mis en place. Il s’agit d’un ensemble de microtubules élaborés par les centrioles qui se sont dédoublés. Certaines fibres sont reliées aux chromosomes au niveau des kinétochores (microtubules kinétochoriens).
- Lors de l’anaphase, les centromères se fissurent et les microtubules kinétochoriens tirent les chromatides vers les pôl
L’enveloppe nucléaire se reforme : le cytoplasme se répartit dans 2 cellules filles identiques, c’est la cytodiérèse.
Schéma 1 : membrane plasmique, cytoplasme, enveloppe nucléaire, noyau ;
centriole, chromosome ;
fuseau mitotique.
Mitose : Prophase, Métaphase, Anaphase, Télophase ;
Cytodiérèse.
Interphase : G1 (croissance intense), S (réplication de l’ADN), G2 (synthèse des enzymes de la division).
Schéma 2 : Chromosome métaphasique : kinétochore, microtubules kinétochoriens, centromère, chromatides.
Schéma 3 : Prophase (cytoplasme, chromosome à 2 chromatides) ; métaphase ; anaphase ; télophase (noyau, fuseau mitotique, cytoplasme).
la replication de l’adN
La division cellulaire débute par la réplication de l’ADN (doublement de l’information génétique).
Le processus commence par la création d’une fourche de réplication et se termine par la production de 2 molécules d’ADN identiques.
replication
- Déroulement de la double hélice et rupture des liaisons hydrogènes entre les paires de nucléotides grâce à une enzyme, l’ADN hélicase.
- Synthèse de 2 nouveaux brins d’ADN à partir des 2 brins existants grâce à des ADN polymérases.
La synthèse de l’ADN se déroule toujours dans le sens 5’ à 3’, ce qui implique une synthèse en continu pour un brin et une synthèse par fragments pour l’autre brin.
- Regroupement des fragments d’ADN synthétisés séparément grâce à une enzyme, l’ADN ligase.
Schéma : Progression de la réplication, dans le sens qui sépare les 2 brins d’ADN.
A chaque brin d’ADN initial ou matrice, vient s’adjoindre un nouveau brin d’ADN complémentaire de chacune des matrices.
enzymes de la replication
- Hélicase maintien des 2 brins d’ADN initial ensemble jusqu’à la progression de la réplication
- ADN polymérase et son sens de progression participe à la réplication
- Ligase participe à l’adjonction du nouveau brin complémentaire
replication semi-conservative
Chaque chaîne de nucléotides issue de la dissociation de l’ADN originel sert de matrice pour la construction d’une chaîne complémentaire. Ainsi, chaque nouvelle molécule d’ADN est constituée d’un brin originel associé à un nouveau brin : on parle de réplication semi-conservative.
Schéma : 1 molécule d’ADN ; fourche de réplication ; 2 molécules d’ADN identiques réparties dans 2 cellules.
quantite d’adN
Dans une cellule, la quantité d’ADN double peu de temps avant la division cellulaire. La mitose (M) permet une répartition équitable de l’ADN : chaque cellule fille formée contient la même information génétique.
Schéma : abscisse : temps (h) ; ordonnée : quantité d’ADN (Q).
G1 à Q, durée 8 heures ; S monte à 2 Q, durée 6 heures ; G2 à 2Q, durée 4 heures ; M revient à 1 Q, durée nulle ; Retour à Q, à 18 h.
Quantité d’ADN au cours du cycle cellulaire.
la necrose et l’apoptose
l’homeostasie
L’homéostasie est le maintien des constantes biologiques (température, pH, glycémie…).
La survie cellulaire dépend du maintien d’au moins 4 mécanismes de régulation.
- Echanges ioniques actifs : la pompe Na+ / K- ATPase extrude 3 Na+ hors de la cellule contre 2 K+. Conséquences :
- Maintien des échanges d’eau et du volume cellulaire
- Induction d’un potentiel de membrane (PM) garant des autres échanges (Na+ / H+, Na+ / Ca2+…).
- Utilisation des métabolites au cours des réactions d’anabolisme (A) et de catabolisme (C). Déchets évacués.
- Production d’ATP par la mitochondrie.
- Réplication, transcription, traduction, régulation et réparation du génome.
Schéma : Potentiel de membrane positif à l’extérieur de la cellule et négatif à l’intérieur de la cellule.
Homéostasie cellulaire.
la necrose
La nécrose est la mort de la cellule incapable de réagir face à des facteurs externes : hypoxie, ischémie, empoisonnement, radiations, carence en nutriments…
- Les ions suivent leur gradient, l’eau envahit la cellule (à œdème et lyse membranaire).
- Les nutriments produisent des toxines qui s’accumulent dans la cellule.
- La mitochondrie produit des radicaux libres (RL) et stoppe la synthèse d’ATP.
- Les mécanismes de transcription / traduction s’arrêtent. L’ADN n’est plus réparé et des enzymes le découpent de manière aléatoire.
Schéma : Na+ entre dans la cellule, K+ sort.
Le potentiel de membrane s’inverse (+ à l’intérieur, - à l’extérieur).
Nécrose.
L’apoptose est différente de la nécrose car il s’agit d’une mort cellulaire contrôlée. Elle est induite :
- Autour du renouvellement cellulaire dans l’embryogenèse, au cours du cycle menstruel (destruction de l’endomètre), lors du remplacement des cellules sanguines…
- Comme mécanisme d’élimination des cellules âgées, infectées par un virus, cancéreuses (expression membranaire d’oncogènes c-Myc, E1A…), ou endommagées (UV, rayon gamma, hypoxie, ischémie, poisons). Le manque de facteurs de croissance, l’inflammation, la perte de contact de la membrane avec les protéines extracellulaires sont également des inducteurs d’apoptose.
Une éxagération de l’apoptose s’observe au cours du phénomène de rejet de greffe ou lors des processus dégénératifs (maladie d’Alzheimer, de Parkinson, paraplégie, diabète de type 1, immuno-dépression…).
Une insuffisance d’apoptose est à l’origine de diverses pathologies (cancers, maladies auto-immunes). Selon l’inducteur, plusieurs voies (1 ou 2) schématisées ci-dessous peuvent être mises en place.
l’apoptose voie 1
1a) Des molécules extracellulaires externes (TNF, FAS) activent des récepteurs dits de mort (R-FAS et R-TNF).
FAS peut également être porté par des cellules présentatrices (CP), comme les macrophages, les lymphocytes T et NK, les thermocytes ou les microglycocytes.
1b) La liaison du ligand à son récepteur (FAS + R-FAS ou TNF + R-TNF) active une enzyme : la caspase 8 (C-8).
1c) Il s’ensuit une cascade intracellulaire dont le point de départ est la C-8 et qui aboutit à l’activation de la caspase 3, enzyme clé du processus d’apoptose.
l'apoptose voie 2
2a) La voie mitochondriale est activée par l’excès de radicaux libres (RL) et de calcium.
2b) La mitochondrie fragilisée libère le cytochrome C (Cyt C), protéine de la chaîne respiratoire.
2c) Le cyt C active une cascade intracellulaire (Apaf-1, caspase 9) aboutissant à l’activation de la caspase 3.
2d) Des molécules intracellulaires peuvent activer (Bax) ou inhiber (Bcl2) la voie du Cty C.
reactions finales
On distingue trois phases :
3a) La fragmentation de l’ADN. C’est en fait l’activation de la caspase 3 qui active à son tour une DNase, laquelle clive l’ADN en morceaux de 180-200 paires de bases.
3b) La cellule se fragmente en vésicules de petite taille : les corps apoptotiques (CA).
3c) La phase finale est la phagocytose des CA par les macrophages. L’apoptose ne produit pas d’inflammation.
legendes
Cellule présentatrice de l’antigène FAS CP
Récepteurs membranaires de FAS et TNF R-FAS et R-TNF
Molécules extra-cellulaires FAS et TNF…………I
Caspase-8 C-8 I
Cytochrome C Cyt-C I Molécules pro-apoptotiques
Radicaux libres RL I
Calcium ionisé Ca2+ I
Molécule mitochondriale Bax………………….I
Molécule mitochondriale antiapoptotique Bcl2
Corps apoptotique CA
Description du schéma :
Voie 1 : Les TNF et FAS (molécules extracellulaires) activent des récepteurs (dits de mort) R-FAS et R-TNF. (1a)
Voie 2 : Les TNF et FAS peuvent aussi être apportés par des cellules présentatrices (CP) situées à l’extérieur de la cellule qui présentent le TNF ou FAS sur le récepteur R-FAS ou R-TNF. (1b)
La liaison du ligand à son récepteur active une enzyme : la caspase 8 à l’intérieur de la cellule (C-8). (1b)
Cellule : Une cascade intracellulaire dont le point de départ est la C-8 aboutit à l’activation de la caspase 3, enzyme clé du processus d’apoptose. (1c)
L’excès de radicaux libres et de calcium activent la mitochondrie à l’intérieur de la cellule. (2a)
La mitochondrie fragilisée libère le Cytochrome C, cyt C protéine de la chaîne respiratoire
Le Cyt C active une cascade intracellulaire aboutissant à l’activation de la caspase 3. (2c)
Des molécules intracellulaires peuvent activer (Bax) ou inhiber (Bcl2) la voie du Cyt C. (2d)
Réactions finales :
La fragmentation de l’ADN, réalisée par l’activation de la caspase 3. (3a)
La cellule se fragmente en vésicules de petite taille : les corps apoptotiques (CA). (3b)
La phase finale est la phagocytose des CA par les macrophages.