Biologie cellulaire

1. La cellule : unité fondamentale du vivant

• Cellule (du latin cellula = petite chambre) : plus petite unité du monde vivant, constituant toute partie d’un être vivant (hors virus).
• Chez l’Homme adulte : environ 10^14 cellules, plus 10^15 bactéries.
• Membrane plasmique : frontière entre milieu extracellulaire et intracellulaire, contrôle et permet les échanges de matière et d’informations, porte des marqueurs d’identité cellulaire.
• Une cellule est composée de 3 éléments visibles au microscope optique :
  • Membrane plasmique
  • Cytoplasme
  • Noyau

La membrane plasmique est essentielle pour la communication et la protection de la cellule.

2. Diversité structurale et fonctionnelle des cellules

• Deux grandes catégories cellulaires :
  • Cellules procaryotes (ex : bactéries) : plus petites, sans noyau défini, avec des structures comme le mésosome (invagination de la membrane plasmique, impliqué dans la réplication de l’ADN et la division cellulaire).
  • Cellules eucaryotes (ex : cellules humaines) : plus grandes, avec noyau et organites complexes.

• La taille et la forme des cellules varient selon leur fonction (ex : cellules musculaires longues, neurones avec prolongements, cellules ciliées).

3. Ultrastructure cellulaire : les organites

• Ultrastructure : détails visibles au microscope électronique, révèle la présence d’organites dans le cytoplasme.
• Cytoplasme = cytosol (gel aqueux) + organites + cytosquelette (réseau de protéines filamenteuses).
• Organite : compartiment intracellulaire spécialisé, délimité ou non par une membrane, assurant une fonction précise.

Le noyau est caractéristique des cellules eucaryotes, sauf exceptions comme les globules rouges humains (hématies) qui en perdent le noyau lors de leur maturation.

4. Relation structure/fonction

• La structure des organites est adaptée à leur fonction spécifique, illustrant la relation étroite entre forme et rôle dans la cellule.
• Exemples :
  • Mitochondries avec membrane interne plissée pour augmenter la surface de production d’énergie.
  • Réticulum endoplasmique granuleux avec ribosomes pour la synthèse protéique.
  • Cytosquelette pour la mobilité et le maintien de la forme cellulaire.

À retenir : La cellule est l’unité de base du vivant, avec une organisation interne complexe (ultrastructure) qui permet la diversité fonctionnelle indispensable à la vie.

1. Ultrastructure cellulaire

• La cellule est délimitée par une membrane plasmique et contient un cytoplasme où baignent les organites.
• Le noyau est entouré d'une enveloppe nucléaire constituée de deux membranes séparées par un espace intermembranaire en continuité avec le réticulum endoplasmique.
• L'enveloppe nucléaire est percée de pores nucléaires qui permettent les échanges entre le nucléoplasme (intérieur du noyau) et le cytosol.

2. Les tissus

• Un tissu est un ensemble de cellules organisées.
• Un organe est composé d'au moins deux tissus.
• La plupart des organes contiennent les 4 grands types de tissus :

3. Tissu épithélial

• Deux catégories :
  • Épithéliums de revêtement : recouvrent l'organisme, tapissent organes et cavités.
  • Épithéliums glandulaires : sécrètent des substances.

4. Tissu nerveux

• Formé de neurones, cellules spécialisées dans l'élaboration, la conduction et la transmission des messages nerveux.
• Présent dans l'encéphale, la moelle épinière, et les nerfs.

5. Tissu musculaire

• Trois types de tissu musculaire :

• Remarque : Les fibres musculaires squelettiques peuvent mesurer jusqu'à 50 cm.

6. Tissu conjonctif

• Caractéristiques générales :
  • Cellules disjointes baignant dans une matrice extracellulaire.
  • Présence de fibres (collagène, élastine) selon le type.
• Six types principaux selon la nature des cellules et fibres, avec fonctions variées :

À retenir : Le noyau est entouré d'une double membrane perforée de pores nucléaires qui assurent les échanges entre le noyau et le cytoplasme. Les tissus sont classés en 4 grands types selon leur structure et fonction : épithélial, conjonctif, musculaire et nerveux.

1. Organisation des tissus

Un tissu est un ensemble de cellules spécialisées et de substances intercellulaires qui assurent une fonction précise dans un organe. La structure d’un tissu détermine sa fonction.

Chaque tissu a un rôle spécifique, et l’association de plusieurs tissus permet à un organe d’assurer sa fonction globale.

2. Exemple : Les tissus d’une bronche

3. Fonctions clés des tissus dans la bronche

• Protection : épithélium avec mucus et cils pour piéger et évacuer poussières et micro-organismes.
• Soutien : tissu conjonctif et cartilage assurent la cohésion et la rigidité.
• Conduction de l’air : régulée par le tissu musculaire lisse et maintenue ouverte par le cartilage.

4. Résumé des fonctions des tissus

• Épithélium : barrière protectrice et fonction sécrétoire.
• Conjonctif : soutien mécanique et liaison des tissus.
• Musculaire : mouvement et régulation.
• Cartilagineux : rigidité et maintien de la forme.

5. Relation structure-fonction

La structure spécifique de chaque tissu (cellules, substance fondamentale) est adaptée à sa fonction dans l’organe. L’association de ces tissus permet à l’organe d’assurer une fonction complexe et spécifique.

6. Composition du sang (extrait)

• Cellules : globules rouges (transport des gaz), leucocytes (défense), thrombocytes (coagulation).
• Substance fondamentale : plasma (liquide majoritaire).
• Fonctions : transport, défense, coagulation, thermorégulation.

7. La membrane plasmique : interface d’échange

• Structure : bicouche phospholipidique d’environ 8 nm d’épaisseur, composée de :

  • Phospholipides amphiphiles (tête hydrophile, queue hydrophobe).
  • Cholestérol : augmente rigidité et imperméabilité.
  • Protéines : assurent fonctions spécifiques (transport, signalisation...).

• Organisation : tri-lamination visible en microscopie électronique (feuillet clair entre deux feuillets sombres).

La membrane plasmique sépare le milieu intracellulaire (cytoplasme) du milieu extracellulaire, contrôlant les échanges.

1. Protéines membranaires

• Protéines intégrales (transmembranaires) : insérées totalement dans la membrane, traversent la bicouche lipidique.
• Protéines périphériques : associées à la surface externe ou interne de la membrane par des liaisons faibles ou une ancre lipidique.

2. Glucides membranaires

• Majoritairement sous forme de glycoprotéines et minoritairement de glycolipides.
• Situés uniquement sur la face externe de la membrane plasmique.
• Forment le glycocalyx, impliqué dans la reconnaissance cellulaire et l’adhérence.

3. Fluidité membranaire

• La membrane plasmique est une mosaïque fluide : ses constituants (lipides et protéines) peuvent se déplacer librement.
• Les phospholipides ne sont pas liés entre eux ni aux protéines, ce qui confère une flexibilité comparable à une fine couche d’huile sur l’eau.
• Types de mouvements lipidiques :
  • Rotation sur place,
  • Diffusion latérale dans le même feuillet,
  • Flip-flop (rare) : passage d’un feuillet à l’autre.
• Certaines protéines sont immobilisées par interactions avec le cytosquelette ou d’autres protéines.
• La fluidité permet à la cellule de modifier sa forme sans rupture et est essentielle pour :
  • Absorption,
  • Sécrétion,
  • Protection,
  • Adhérence,
  • Communication,
  • Interaction avec la matrice extracellulaire.
• Facteurs influençant la fluidité :
  • Externes : température (↑ température → ↑ fluidité),
  • Internes : composition lipidique, présence de cholestérol, saturation des acides gras.

La membrane plasmique est une structure dynamique dont la fluidité est indispensable aux fonctions cellulaires.

4. Fonctions de la membrane plasmique

• La membrane est semi-perméable : empêche le passage des molécules polaires et macromolécules, mais régule les échanges ioniques.
• Les échanges se font via la membrane lipidique ou par des protéines transmembranaires.

5. Modes de transport membranaire

• Deux grands types de transport moléculaire à travers la membrane plasmique (détaillés dans la suite du cours).

1. Les transports passifs

Les membranes plasmatiques forment une barrière sélective entre le milieu extracellulaire et intracellulaire. Certaines molécules traversent cette membrane par diffusion, un déplacement spontané des molécules d'une région de concentration élevée vers une région de concentration plus faible, sans dépense d'énergie.

a) Gradient électrochimique

C’est la différence de concentration et de charge électrique d’une molécule entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule, qui influence son transport.

2. Diffusion simple

• Passage direct des molécules à travers la bicouche lipidique, du milieu le plus concentré vers le moins concentré.
• Ne nécessite aucune énergie cellulaire.
• La vitesse de diffusion est proportionnelle à la différence de concentration.
• Substances concernées :
  • Molécules liposolubles : acides gras, stérols, médicaments liposolubles.
  • Gaz : O₂, CO₂, NO.
  • Petites molécules polaires : urée, éthanol, glycérol.
• L’eau traverse par osmose : diffusion passive de l’eau du compartiment le moins concentré en solutés vers le plus concentré, jusqu’à équilibre (milieu isotonique).

3. Diffusion facilitée

• Passage des molécules grâce à des protéines spécialisées (transporteurs ou canaux).

• Transport sans dépense d’énergie, selon le gradient électrochimique.

• Vitesse limitée par le nombre de transporteurs (saturation possible).

• Deux types :

  Type de diffusion facilitée	Mécanisme	Exemple
  Par canaux	Passage rapide via un pore spécifique	Canaux ioniques Na⁺, K⁺, aquaporines (H₂O)
  Par transporteurs (perméases)	Changement de conformation du transporteur	Transport du glucose (GLUT)

• Les transporteurs sont des protéines transmembranaires assurant la diffusion facilitée, sans énergie cellulaire, uniquement grâce au gradient de concentration.

À retenir : Le transport passif permet le passage des molécules selon leur gradient électrochimique, sans dépense d'énergie, par diffusion simple ou facilitée via des protéines membranaires.

1. Transports actifs

Les transports actifs permettent le déplacement de molécules contre leur gradient électrochimique (phénomène endergonique) grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse de l'ATP ou par un couplage énergétique.

a) Transport actif primaire

• Utilise directement l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP.
• Exemple majeur : pompe Na⁺/K⁺-ATPase.
  • Hydrolyse l'ATP et se phosphoryle.
  • Expulse 3 Na⁺ hors de la cellule et fait entrer 2 K⁺ contre leurs gradients.
  • Maintient un déséquilibre ionique essentiel pour la cellule.
• Autres pompes : Ca²⁺-ATPase, H⁺-ATPase.

b) Transport actif secondaire

• Utilise l'énergie exergonique du passage d'une molécule dans le sens de son gradient pour faire passer une autre molécule contre son gradient (couplage).
• Exemple : symport Na⁺/glucose ou Na⁺/acides aminés dans les entérocytes.
  • Le Na⁺, plus concentré à l'extérieur, entre dans la cellule selon son gradient.
  • Cette énergie entraîne l'entrée simultanée de glucose ou d'acides aminés contre leur gradient.
  • Permet l'absorption intestinale de ces nutriments.

2. Cytoses (transports vésiculaires)

Les cytoses transportent des macromolécules ou particules trop grosses pour passer par des canaux membranaires, via des vésicules.

a) Endocytose

Processus d'entrée de macromolécules ou particules dans la cellule par invagination de la membrane plasmique formant une vésicule.

Trois formes principales :

b) Exocytose

• Processus inverse de l'endocytose.
• La cellule sécrète des macromolécules par fusion de vésicules de sécrétion avec la membrane plasmique.
• Vésicules issues de l'appareil de Golgi sont transportées via le cytosquelette.
• La fusion des membranes permet la libération du contenu à l'extérieur.

Exemples d'exocytose :

1. Sécrétion d'hormones (ex : insuline par les cellules pancréatiques).
2. Rejet de déchets non digérés.
3. Passage de substances à travers une barrière cellulaire.

À retenir : L'endocytose, l'exocytose et la phagocytose sont des modes de transport actifs nécessitant de l'ATP.