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

De taille variable, chacune des cellules possède toutefois la même structure et communique entre elles. Focus sur cette unité microscopique fondamentale…

La cellule est une unité fondamentale, structurale et fonctionnelle des organismes vivants. Elle peut remplir toutes les fonctions de l’organisme, à savoir le métabolisme, le mouvement, la croissance, la reproduction ou encore la transmission de gènes. C’est une entité vivante qui fonctionne de manière autonome, tout en restant coordonnée avec les autres. On en distingue deux types :

• Les cellules eucaryotes : elles possèdent un noyau contenant le matériel génétique (exemple : l'homme, la levure).
• Les cellules procaryotes : elles sont dépourvues de noyau, leur matériel génétique est donc libre dans la cellule (exemple : les bactéries).

1. Structure de la cellule

1.1. La membrane cellulaire ou plasmique

La cellule est entourée par une membrane plasmique délimitant un espace intérieur, contenant le cytoplasme et différents organites, d’un espace extérieur.

1.1.1. Structure de la membrane plasmique

La membrane plasmique ou cellulaire est composée de phospholipides  qui lui confèrent sa structure de base, auxquels s’ajoutent des molécules de cholestérol qui augmentent l’imperméabilité et la rigidité de la membrane. Les phospholipides sont amphiphiles, c’est-à-dire qu’ils possèdent un pôle hydrophile (qui aime l’eau, la tête) et un pôle hydrophobe (qui n’aime pas l’eau, la queue), formant ainsi une bicouche phospholipidique.

La membrane cellulaire est également composée de protéines qui assurent la plupart de ses fonctions spécifiques. On distingue différentes formes d'associations protéiques à la membrane : les protéines intrinsèques (une partie ou la totalité de la protéine est intégrée dans la membrane) et extrinsèques (la protéine se trouve à l’extérieure de la membrane).

Cette membrane est ainsi dotée de plusieurs fonctions :

• protection de la cellule du milieu extérieur ;
• individualité de la cellule (la membrane qui entoure la cellule forme des compartiments fermés la séparant des autres cellules) ;
• échanges de molécules entre le milieu extracellulaire et intracellulaire (la membrane contrôle ainsi l’entrée des substances nutritives et le rejet des déchets.
• reconnaissance de certains produits par le biais de récepteurs présents dans la membrane, et auxquels elle va réagir (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 d’antigènes spécifiques tels que les protéines du système HLA, des groupes sanguins et rhésus.

1.1.2. Les transports membranaires

La cellule est une unité vivante. Elle se nourrit en puisant dans le milieu extracellulaire les nutriments nécessaires au maintien de son activité et de sa croissance. Elle rejette dans ce même milieu les produits de dégradation inutiles ou toxiques. Par le caractère hydrophobe de sa couche lipidique, la membrane plasmique de la cellule ne permet pas le passage de molécules polaires (électrolytes) et de macromolécules. Celle-ci est cependant semi-perméable, car la cellule doit réguler ses concentrations ioniques. L’ensemble des échanges vont ainsi se faire à travers la membrane plasmique ou à l’aide de protéines transmembranaires. Il existe deux modes de transport moléculaires : le transport passif et le transport actif.

Le transport passif

Les molécules peuvent traverser la double couche lipidique par un mouvement spontané vers l’équilibre, sans apport d’énergie, dans le sens du gradient de concentration.

• par diffusion : la diffusion est le mouvement des molécules d’une zone où elles sont en concentration élevée vers une zone où elles sont en faible concentration
  • diffusion simple lorsque qu’une molécule de petite taille (souvent liposolubles) traverse directement la bicouche phospholipidique (exemples : oxygène, dioxyde de carbone, urée, graisses…).
  • diffusion facilitée lorsque la molécule doit utiliser une protéine transmembranaire pour être transportée (souvent hydrosolubles).
• par osmose : c’est le processus de la diffusion de l’eau dans différents milieu. Lorsqu’il y a une différence de concentration entre le milieu intracellulaire et extracellulaire, les molécules d’eau se déplacent pour diluer le milieu le plus concentré en soluté jusqu’à ce qu’il y ait éventuellement équilibre des concentrations (pression osmotique) :
  • Si le milieu extracellulaire et intracellulaire sont de même concentration, on dit que la solution est isotonique.
  • Si le liquide extracellulaire est moins concentré que la cellule, on dit que le milieu est hypotonique. La cellule se gorge alors d’eau (phénomène de turgescence) et gonfle.
  • Si le liquide extracellulaire est plus concentré que la cellule, on dit que le milieu est hypertonique. De l’eau diffuse hors de la cellule (phénomène de plasmolyse) et rétrécit.

Ces trois notions sont fondamentales dans notre pratique quotidienne, notamment dans l'administration des solutions intra veineuses au patient.

Le transport actif

Le transport actif exige de l’énergie (ATP) pour rendre la structure transporteuse capable de fonctionner contre un gradient de concentration. Il est utilisé principalement pour le transport des macromolécules (ex : glucose , acides aminés ,…) ou des électrolytes (ex : sodium, potassium…). Ce transport nécessite un transporteur protéique, souvent dénommé pompe, situé au niveau de la membrane plasmique et qui assure le rôle d’un passeur.

Exemple de la pompe Na+/K+/ATP : La concentration en sodium (Na+) est supérieure à l'extérieur de la cellule, tandis que la concentration en potassium (K+) est supérieure dans le milieu intracellulaire. Grâce à la production d’ATP, la pompe antiport va pouvoir expulser des ions Na+ à l’extérieur en même temps d’intégrer des ions K+ à l’intérieur de la cellule.

Ainsi, à l'échelle cellulaire, on parle d’endocytose lorsque la cellule capture des éléments, par invagination de sa membrane plasmique, pour former des vacuoles dans son cytoplasme. A l'inverse, on parle d'’exocytose quand la cellule déverse des substances emprisonnés dans des vacuoles dans le milieu extracellulaire. Il y a alors fusion de la membrane de la vacuole avec la membrane plasmique.

Les protéines de transport

Certains transports nécessitent l’intervention de protéines présentes dans la membrane cellulaire. Ces protéines transpercent la membrane de part en part et fonctionnent comme des portes. Il y en existe trois types différents :

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

1.2. 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.

1.2.1. Le cytosol

Le milieu intracellulaire se compose d'un liquide appelé cytosol. Il est constitué en moyenne de 85 % d'eau et son pH est neutre. C'est dans ce milieu que l'ensemble des organites de la cellule baigne et que les principales activités cellulaires se déroulent.

1.2.2. Le cytosquelette

Ce réseau fibreux de nature protéique constitue à la fois un squelette et une musculature pour les cellules. Il sert à maintenir leur forme et intervient dans les mouvements internes, les déplacements, ainsi qu'au cours de la division cellulaire.

Le cytosquelette contient les centrosomes, des éléments tubulaires intervenant dans la division cellulaire. Chaque centrosome est composé de deux centrioles, ce sont des structures cellulaires intra-cytoplasmiques constituées de 9 triplets de 3 tubules. Chaque cellule contient donc deux centrioles (perpendiculaires 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.

1.2.3. Les organites

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

Les ribosomes

Ces sphères, libres ou associées au REG, 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.

L'appareil de Golgi

Il est formé de sacs aplatis les uns sur les autres. Son rôle est de stocker les protéines issues du REG, d'achever leur maturation, de vérifier leur qualité et de les sécréter. Les protéines à sécréter sont alors concentrées dans des vésicules issues des extrémités de l'appareil de Golgi. Ces vésicules sont déversées dans le milieu extracellulaire par exocytose.

Les 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.

Les mitochondries

Les mitochondries sont des organites en forme de haricot de très petite taille. Ils 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. On y 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. L'ATP est utilisée pour l'ensemble des activités de synthèse de la cellule ainsi que pour le transport actif.

Le nombre de mitochondries d'une cellule dépend de l'intensité de son activité : une cellule musculaire, par exemple, en possède beaucoup. Ces organites possèdent leur propre matériel génétique, l’ADN mitochhondrial, hérité par la mère. Ils peuvent synthétiser environ 10 % de leurs propres protéines   grâce à la dizaine de gènes de leur ADN, les autres protéines mitochondriales provenant du travail de synthèse exécuté par les ribosomes.

Les vacuoles

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

Le 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 décondensé, le support génétique de la cellule ;
• le nucléole, constitué d'ARN qui, associé à des protéines, synthétisera des ribosomes.

Le noyau possède un diamètre variant de 10 à 20 µm (le plus gros des organites) et est entouré par une double membrane : la membrane nucléaire. Cette membrane nucléaire contient des pores permettant les échanges nucléo-cytoplasmiques dans les deux sens. Le nucléoplasme est le liquide dans lequel baignent les éléments contenus dans le noyau. Il a deux fonctions principales : contrôler les réactions chimiques du cytoplasme et stocker les informations nécessaires à la division cellulaire.

2. Les communications intercellulaires

Ce sont l'ensemble des interactions qui existent entre les cellules elles-mêmes ainsi qu’avec le milieu extracellulaire. Il existe deux types d'interaction selon la proximité des cellules :

• les cellules éloignées : interaction utilisant un messager :
  • autocrine : le messager agit sur les cellules qui l'ont libéré ;
  • paracrine : le messager agit sur les cellules voisines de celles qui l'ont libéré ;
  • endocrine : le messager libéré par une cellule agit à distance sur une autre cellule après avoir été véhiculé par le sang ;
• les cellules proches : interaction se faisant directement par contact :
  • juxtacrine : interaction qui comporte un contact entre 2 cellules et s'accompagne d'adhésion intercellulaire.

2.1. Les cellules éloignées

Pour communiquer entre elles, les cellules éloignées synthétisent des messagers (enzymes , médiateurs, hormones…) ainsi que des récepteurs. Ces deux éléments vont alors permettre aux cellules de communiquer au moyen de plusieurs étapes :

• synthèse et libération d'un messager par la cellule A ;
• interaction entre le messager libéré par la cellule A et le récepteur de la cellule B ;
• transmission à la cellule A du signal capté par le récepteur, souvent accompagnée de réactions enzymatiques ;
• transformation du signal reçu par le récepteur de la cellule B en un ou plusieurs effets biologiques (exemples : contraction ou relâchement d'une fibre musculaire, ouverture ou fermeture d'un canal…).

2.1.1. Les messagers

Une molécule libérée par une cellule A est informative lorsqu'elle interagit spécifiquement avec une structure appelée récepteur d'une cellule B pour y initier des réactions conduisant à des effets spécifiques. Les messagers sont de nature chimique diverse : dérivés d'acides aminés (noradrénaline, angiotensine...), des dérivés d'acides gras (prostaglandines...) ou des dérivés de cholestérol (cortisol, stéroïdes...). Leur classification repose sur la distance qui sépare leur site de libération de leur site d'action. On retrouve alors :

• les hormones : véhiculées par le sang depuis la glande qui les libère jusqu'à l'organe où elles exercent leurs effets. Exemple : la coticotrophine est libérée par l'hypophyse et stimule la glande cotico-surrénale ;
• les médiateurs : libérés à l'extrémité d'un nerf, ils transmettent une information à une structure qui peut être un nerf ou un muscle. Exemples : la catécholamine, l'acétylcholine ;
• les cytokines : elles peuvent agir sur la même population de cellules que celles qui les fabriquent ou sur une population différente (mode paracrine), elles peuvent agir sur les cellules qui les synthétisent (mode autocrine), elles peuvent agir à distance, transportées par le flux sanguin sur d'autres tissus  comme la moelle osseuse, les os, le foie, le système nerveux central (mode endocrine) ;
• les molécules d'adhésion : elles agissent en établissant des liens passifs ou impliquent des réactions par mise en jeu de signalisation intracellulaire.

2.1.2. Les récepteurs

Un récepteur est une structure moléculaire de nature polypeptidique interagissant avec un messager. Cette interaction crée alors une modification du récepteur induisant un effet biologique. Les récepteurs peuvent être membranaires (absence de pénétration du médiateur dans la cellule) ou intranucléaires (pénétration du médiateur dans la cellule). Une même cellule comporte généralement plusieurs types de récepteurs.

Les récepteurs membranaires

Un récepteur membranaire comporte une partie extracellulaire, où se trouve le site de reconnaissance de la molécule informative, une partie transmembranaire et une partie intracellulaire. L'activation du récepteur membranaire ne nécessite pas la pénétration de la molécule informative dans la cellule. Cette activation va induire des modifications qui vont soit être localisées à la membrane, soit s'étendre au cytoplasme ou bien atteindre le noyau. L'ensemble des réactions entre activation du récepteur membranaire et effet cytoplasmique ou nucléaire est appelé transduction du signal.

Il existe trois types de récepteurs membranaires :

• les récepteurs canaux : ils comportent un canal faisant communiquer le cytoplasme avec le milieu extracellulaire. Le messager module l'ouverture du canal et régule l'entrée dans la cellule des ions (Na+, K+, Ca2+, Cl- ;..). La réponse est instantanée et de courte durée ;
• les récepteurs liés aux protéines G : leur activité nécessite la présence de GDP (guanosine di phosphate). Les protéines G entrent en contact avec le récepteur et transmettent le signal à des enzymes (adénylcyclase, phospholipase C....) ;
• les récepteurs enzymes : le récepteur possède sa propre activité enzymatique. La fixation du messager sur le récepteur active son site enzymatique.

Les récepteurs intracellulaires

Le messager lipophile traverse la membrane plasmique et se lie :

• soit avec le récepteur présent dans le cytoplasme, c'est le complexe messager-récepteur qui pénètre dans le noyau et interagit avec l'ADN (le messager a un effet indirect) ;
• soit à une protéine intracellulaire qu'il modifie pour qu'elle puisse interagir au niveau du noyau avec l'ADN (le messager a un effet direct).

2.2. Les cellules proches

Les cellules proches interagissent directement par contact. Elles vont pouvoir échanger des informations en adhérant l'une à l'autre à l’aide de jonctions cellulaires. Il en existe trois types :

• les jonctions serrées : cette jonction étanche se compose de deux membranes collées, soutenues par des protéines (occludine et claudine) ;
• les jonctions d’ancrage : cette jonction permet aux cellules de s’accrocher entre elles, notamment pour former les tissus ;
  • les desmosomes : les desmosomes sont composés de plaques circulaires cytoplasmiques denses, situées à l’intérieur de chaque cellule. Sur ces desmosomes sont abouchés des cadhérines (niveau extracellulaire), qui adhèrent entre elles à l’aide d’ions calcium, ainsi que des filaments intermédiaires (niveau intracellulaire) qui assurent la cohésion entre les cellules ;
  • les jonctions adhérentes : ces jonctions se composent de cadhérines comme la jonction précédente, mais elles sont reliées par des caténines dans le cytoplasme des cellules à des filaments d’actine qui assurent la cohésion entre les cellules ;
• les jonctions communicantes : ces jonctions sont formées de connexines, des protéines membranaires qui, lorsqu’elles s’associent, forment une connexon. Les connexons sont des canaux intercellulaires qui traversent les membranes plasmiques des deux cellules.

Découvrez la suite du cours sur la cellule (partie 2)

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Cours mis à jour le 7 août 2023 par Ophélie PERROT ophe.perrot@gmail.com