UE 2.4 CONSERVATION, EXPRESSION ET TRANSMISSION DE L’INFORMATION GENETIQUE

L’information génétique est contenue dans les chromosomes sous forme de gènes. Cette information génétique doit être :

• Conservée dans la descendance des cellules au cours de la division cellulaire
• Exprimée au sein des cellules de l’organisme pour permettre son développement et son fonctionnement
• Transmise dans la descendance d’un individu au cours de la reproduction

Conservation de l’information génétique

L’information génétique ne doit ni être modifiée, ni perdue lors de la division cellulaire afin de transmettre un patrimoine identique d’une cellule à l’autre.

L’information génétique est conservée entre générations de cellules grâce au mécanisme de réplication.

Expression de l’information génétique : la synthèse des protéines

Gène : plus petite fraction d’ADN capable de diriger la synthèse d’une protéine.

Génome : ensemble des gènes d’une espèce donnée regroupés en chromosomes.

Le génome humain comprend environ 30000 gènes. Dans le cytoplasme l’information génétique détenue par l’ADN est traduite sous forme de chaîne polypeptidique par un mécanisme biologique complexe appelé « traduction ».

Lien noyau-cytoplasme

La synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme alors que l’ADN des cellules en interphase se trouve dans le noyau. Il faut donc un messager et un décodeur capables d’assurer la synthèse des protéines à partir des informations détenues par l’ADN.

L’ARN messager ou ARNm : information nécessaire pour la synthèse d’une chaine polypeptidique. Environ 20% de l’ADN codent pour la synthèse d’un ARNm. Ce sont des acides nucléiques à vie courte.

L’ARN ribosomal ou ARNr : entre dans la constitution des ribosomes, acteurs de la traduction.

L’ARN de transfert ou ARNt : décodeur de l’information détenue par l’ARNm.

Remarque : l’ADN qui se trouve dans la région organisatrice du nucléole code pour la synthèse de l’ARNr. D’autres séquences d’ADN codent pour l’ARNt. L’ARNt et l’ARNr sont des produits finaux.

La synthèse des protéines se fait en deux temps :

• La transcription : processus permettant la synthèse d’un ARN à partir de l’information génétique.
• La traduction : déchiffrage du message conduisant à la synthèse d’une chaîne polypeptidique.

La transcription

Caractéristiques

Basée sur le principe de complémentarité des bases azotées. Elle nécessite de très nombreuses enzymes dont l’ARN polymérase ADN dépendante. Elle nécessite de l’énergie sous forme d’ATP. Elle se fait dans le sens 5’P à 3’OH à partir d’un brin matrice 3’OH à 5’P, comme la transcription est antiparallèle, le brin d’ADN sera orientée en 5’P vers 3’OH.

Un seul brin de double hélice sert de matrice à la synthèse de la molécule d’ARN : celui orienté dans le sens 3’OH vers 5’P.

Déroulement

S’effectue en trois étapes :

• Initiation
• Elongation
• Terminaison

L’ARN polymérase catalyse la formation de la liaison 3’-5’ phosphodiester entre les ribonucléotides. La croissance de la chaine se fait dans le sens 5’P à 3’OH. La transcription s’arrête quand l’ARN polymérase rencontre une séquence particulière appelée « séquence de terminaison ». Un ARN pré-messager se détache de la matrice d’ADN.

Caractéristiques de la chaine d’ARN pré-messager synthétisée :

• Complémentaire
• Antiparallèle de la chaine d’ADN matrice

Traitement de l’ARN pré-messager

L’ADN contient des régions codantes ou exons et des régions non codantes ou introns. L’ARN pré-messager résulte de la transcription complète du brin d’ADN. Des complexes enzymatiques d’épissage sont chargés d’enlever les introns et de lier ensemble des exons : obtention d’un ARNm mature. Il se lie alors à des protéines qui vérifient son intégrité etl e guident vers les pores nucléaires.

La traduction

Code génétique

L’information génétique nécessaire à la synthèse des protéines est exprimée au niveau de la molécule d’ARN en nucléotides à l’aide de quatre bases azotées. Les protéines sont synthétisées à partir d’acides aminés. Il existe donc un système de correspondance, une sorte de « dictionnaire », qui fait correspondre à un triplet de nucléotides ou codon, un acide aminé.

Ce système de correspondance est appelé « code génétique ».

Remarques : il existe 64 codons alors qu’il n’y a que 20 acides aminés qui entrent dans la constitution des protéines. Il existe :

• Trois codons stop: signaux d’arrêt de la traduction
• Des redondances, un même acide aminé peut correspondre à des codons différents. C’est une forme de protection contre les erreurs de transcription ou de traduction.

Outils de la traduction

La traduction correspond au déchiffrage de l’information porté par l’ADN conduisant à la synthèse d’une chaine polypeptidique. Elle nécessite :

Des ARNt : molécules adaptatives servant d’intermédiaires entre l’ARNm et les acides aminées et possédant deux régions :

• Une région de reconnaissance de l’ARNm, appelée anticodon: la reconnaissance se faisant selon le principe de complémentarité des bases azotées.
• Une région qui se lie avec spécifiquement avec un acide aminée correspondant au codon de l’ARNm.

Des ribosomes assurant :

• La reconnaissance entre le codon de l’ARNm et l’anticodon de l’ARNt.
• La formation de la liaison peptidique entre les acides aminés grâce à une enzyme, la peptidyl-tranférase.

Les ribosomes possèdent 3 sites de liaison :

• Un site A (aminoacyl) pour la fixation de l’ARNt porteur d’un acide aminé arrivant (aminocyl – ARNt)
• Un site P (peptidyl) pour l’ARNt porteur de la chaine peptidique en croissance
• Un site E (exit) pour l’ARNt sortant

Déroulement

La traduction se déroule en 3 étapes :

• Initiation
• Elongation
• Terminaison

La traduction débute par :

• La mise en place sur le site P de la petite sous unité du ribosome de l’ARNt d’initiation porteur de la méthionine
• La mise en place de la petite sous unité du ribosome au niveau du codon initiateur de l’ARNm : codon …
• L’établissement d’une liaison codon initiateur (ARNm) – anticodon (ARNt d’initiation)
• L’arrivée de la grande sous unité ribosomale : ribosome fonctionnel: nécessite des enzymes et de l’énergie

La traduction se poursuit par :

• La fixation de l’aminocyl ARN t n°2 sur le site A du ribosome
• La formation de la liaison peptidique entre les deux premiers acides aminés (réaction catalysée par la peptidyl-transférase)
• La rupture entre l’ARNt d’initiation et son acide aminé
• La translocation du ribosome : déplacement du ribosome sur l’ARNm
• L’ARNt d’initiation se retrouve sur le site E puis dans cytosol
• L’ARNt porteur de l’acide aminé n°2 lié à méthionine se trouve sur le site P
• L’arrivée de l’aminocyl ARNt n°3 sur le site A du ribosome

La terminaison apparait lorsque le ribosome rencontre : un codon STOP

• La chaine polypeptidique se détache du ribosome
• Les deux sous unités du ribosome se séparent
• La chaine polypeptidique acquiert sa structure tridimensionnelle

Remarques :

Lors de la synthèse protéique, le premier acide aminé incorporé est à l’extrémité N-terminale de la chaine polypeptidique. La méthionine peut être enlevée après la synthèse.

Vitesse du processus de traduction : 15 acides aminés mis en place par seconde. Au fur et à mesure que le ribosome avant sur l’ARNm et que le début de la chaine se libère, un autre ribosome peut s’y fixer et ainsi de suite…

Un ARNm est « lu » par plusieurs ribosomes en même temps : polysome.

Mutation de l’ADN – conséquences sur les protéines

Il peut arriver que, lors de la réplication de l’ADN, malgré les systèmes de correction, l’ADN polymérase commette des erreurs d’appariement ce qui provoque l’apparition de mutations.

Définitions et caractéristiques

Modification localisée du matériel génétique, elle peut être ponctuelle (1 seul acide aminé concerné) ou porter des régions plus ou moins longues d’ADN.

Les conséquences sur la protéine dépendant de la nature de la mutation. Ces mutations peuvent être classées en deux grands types :

Mutations entraînant un décalage du cadre de lecture

• Insertion d’un nucléotide
• Délétion d’un nucléotide

Dans les deux cas, la séquence en acides aminés de la protéine en aval de la mutation est totalement modifiée.

Conséquences : modification de la fonction de la protéine. Si délétion : peut-être tronquée.

Mutations n’entraînant par un décalage du cadre de lecture

• Substitution un codon :

Cas 1 : mutation faux sens : la séquence protéique est modifiée au niveau d’un seul acide aminé. Selon la nature de l’acide aminé, la fonction de la protéine est plus ou moins modifiée.

Cas 2 : mutation silencieuse : la séquence est modifiée. N’engendre pas de modification dans la fonction et la configuration de la protéine.  La mutation est dite neutre si elle engendre le remplacement d’un acide aminé par un autre sans modification du fonctionnement de la protéine.

Cas 3 : mutation non-sens : au lieu d’avoir la séquence normale on arrive à un CODON STOP. La protéine est raccourcie et peut être non fonctionnelle.

 

BILAN :

Elles peuvent induire des maladies pathogènes. Elles peuvent être plus ou moins étendues, d’un simple changement de nucléotides à toute une portion d’ADN. Elles ne sont transmises aux descendants que si elles affectent les cellules germinales.

Les mutations spontanées sont rares. Elles peuvent être liées à des facteurs externes. Il existe des agents chimiques (certains produits chimiques) ou physiques (rayons X, rayonnement UV) qui interagissent avec l’ADN et induisent différents types de modifications (transformations des bases azotées, modifications de la séquence des nucléotides, cassures) : ce sont des agents mutagènes.

Transmission de l’information génétique

Caryotype

L’information génétique est contenue dans les chromosomes. Le caryotype permet de visualiser les chromosomes sous leur forme la plus condensée.

Un caryotype présente de manière organisée les chromosomes d’une cellule observée en microscopie optique. Ils sont rangés par paire de chromosomes homologues selon la taille et la disposition du centromère.

Les noyaux des cellules humaines à l’exception des gamètes renferment 46 chromosomes, nombre diploïde soit 23 paires de chromosomes homologues. Dans chacun d’eux, un est d’origine paternelle et l’autre maternelle. Une de ces paires est constituée des chromosomes sexuelles, les 44 autres chromosomes, forment les 22 paires d’autosomes.

Chez une femme : 44 chromosomes + XX

Chez un homme : 44 chromosomes + XY

La méiose

La formation des gamètes (gamétogenèse) chez l’homme et la femme fait intervenir la méiose. Elle comprend deux divisions nucléaires successives qui produisent quatre cellules fines.  Suite à :

La première division : 2 cellules avec n chromosomes (haploïde) à 2 chromatides chacun : division réductionnelle

La deuxième division : 4 cellules avec n chromosomes à 1 chromatide chacun : division équationnelle.

Fonctions fondamentales de la méiose :

• Réduit le nombre de chromosomes par deux, les cellules obtenues sont donc haploïdes et possèdent donc 23 chromosomes.
• Brassage génétique

Méiose I

Prophase I : comme dans la mitose, la réplication de l’ADN a lieu avant le début de la méiose. Au cours de la prophase :

• Condensation des chromosomes
• Disparition de l’enveloppe nucléaire et le nucléole se désorganise
• Formation du fuseau mitotique

Mais cette étape est marquée par la synapsis : les chromosomes homologues s’accolent sur leur longueur pour former des tétrades. Cette étape est marquée par le croisement  à plusieurs endroits des chromatides de chaque paire de chromosomes homologues (chiasmas). Des fragments de chromosomes sont échangés entre les chromosomes homologues. Intérêt : permet l’échange de matériel génétique entre les chromosomes appariés.

Métaphase I : les chromosomes de chaque paire de chromosomes homologues se placent de part et d’autre du plan équatorial.

Anaphase I : contrairement à ce qui se passe lors de la mitose, les centromères ne se divisent pas lors de l’anaphase I lors de la méiose I. Ce sont les chromosomes homologues qui se séparent l’un de l’autre et qui migrent vers chaque pole de la cellule. Chacune des 23 paires de chromosomes est ainsi séparée.

Télophase I : les deux lots de chromosomes se décondensent. Une nouvelle enveloppe nucléaire se forme. Le fuseau mitotique se disloque. Chaque cellule fille possède un nombre haploïde de chromosomes (n chromosome à deux chromatides) : cette première division est dite réductionnelle.

Les cellules filles entrent en intercinèse avant le début de la méiose II.

Méiose II

La méiose II concerne les deux filles à n chromosomes issues de la méiose I. elle comprend une division nucléaire semblable à celle de la mitose qu’on appelle la division équationnelle.

A l’issue de la méiose II, nous avons 4 cellules  à n chromosomes de 1 chromatide chacun.

Vocabulaire génétique

Locus : zone de localisation d’un gène sur un chromosome. Chaque paire de chromosomes homologues d’une cellule est constituée d’un chromosome d’origine paternelle. Les chromosomes étant appariés, on peut donc rencontrer deux versions d’un même gène, l’une d’origine maternelle, l’autre paternelle.

Allèle : version d’un même gène situé sur le chromosome d’origine maternelle et le chromosome d’origine paternelle. Les deux allèles d’un même gène occupent le même locus. Dans une population, un gène peut exister sous plusieurs formes, le locus et la fonction restant constants.

Individu « homozygote » : possède deux allèles de séquence nucléotidique identique pour un gène donné.

Individu « hétérozygote » : possède deux allèles de séquence nucléotidique différente pour un gène donné.

Allèle dominant : allèle qui s’exprime (P)

Allèle récessif : allèle qui reste « muet » (p). Un allèle récessif ne s’exprime qu’à l’état d’homozygote.

Allèles codominants : les deux allèles s’expriment en même temps.

Allèle létal : forme mutante d’un gène, létale à l’état d’homozygote.

Gène polyallélique : représenté par plus de deux allèles.

Génotype : patrimoine génétique d’un individu.

Phénotype : ensemble des caractères d’un individu.

Hérédité liée au sexe ou gonosomale : gène étudié porté par un chromosome sexuel.

Hérédité autosomale : gène étudié porté par un chromosome autosome.

Sources sexuelles des variations génétiques

Chaque individu (à l’exception des vrais jumeaux) est différent avec un génotype différent et phénotype unique dû :

• Au brassage interchromosomique (crossing over – enjambement)
• Au brassage intrachromosomique
• A la fécondation

La ségrégation indépendante des chromosomes

Au cours de la méiose I, lors de la gamétogenèse, les paires de chromosomes homologues s’accolent pour former des tétrades. L’alignement et l’orientation des tétrades sur le fuseau mitotique lors de la métaphase I se fait au hasard : les chromosomes d’origine maternelle et paternelle sont distribués au hasard, ce qui conduit à un brassage interchromosomique.

Enjambement des chromosomes ou crossing-over

Intérêt : certains gènes du chromosome d’origine paternelle se retrouvent sur le chromosome maternelle et inversement. C’est le brassage intrachromosomique et donne des chromosomes recombinants.

Transmission des gènes

Hérédité autosomique dominante et maladies associés

Concerne les caractères héréditaires portés par les autosomes et gouvernés par les allèles dominants. Caractéristiques :

• Caractère dominant lorsqu’il s’exprime à l’état hétérozygote, quand un individu qu’un seul allèle dominant transmis par ses parents.
• Caractère héréditaire autosomique : se transmet aux descendants indépendamment du sexe.

Les maladies autosomiques dominantes sont portées par des allèles dominants sur les autosomes. Le génotype homozygote est beaucoup plus sévère voire létal.

Exemples de maladies autosomiques dominantes :

• Maladie osseuse (achondroplasie)
• Maladie du tissu conjonctif (maladie de Marfan)
• Déficits sensoriels (surdités, maladies ophtalmiques)
• Maladie générative (maladie de Huntington)

Hérédité autosomique récessive et maladies associées

Concerne les caractéristiques héréditaires portés par les autosomes et gouvernés par les allèles récessifs. Caractéristiques :

• Récessif lorsqu’il s’exprime que à l’état d’homozygote.
• Autosomique récessif se transmet indépendant

Exemples de maladies autosomiques récessives :

• La mucovisidose
• Des maladies de l’hémoglobine (drépanocytose)
• Des surdités
• Des cécités
• Des maladies métaboliques

Hérédité liée au sexe et maladies associées

Les chromosomes sexuels portent les gènes de nombreux caractères totalement indépendants du sexe. Chez l’homme, l’expression « lié aux sexe » désigne habituellement des caractères portés par les chromosomes X. Le père transmet les allèles au chromosome X à ses filles mais pas à ses fils puisqu’il leur transmet son chromosome Y. La mère peut transmettre les allèles liés au chromosome X, aussi bien à ses filles qu’à ses fils.

De nombreux caractères héréditaires portés par le chromosome X ne sont pas portés par le chromosome Y. Chez une femme, le caractère lié au sexe est donc porté par les deux chromosomes X et chez l’homme par un seul chromosome X.

Un tel caractère peut être dominant ou récessif et s’exprimer chez les femmes à l’état homozygote ou hétérozygote. Néanmoins, chez l’homme, le caractère s’exprime automatiquement quelle que soit la dominance : on parle de caractère hémizygote.

Exemples de maladies :

• L’hémophilie
• Le daltonisme
• La myopathie de Duchene
• Le syndrome de l’X fragile

Lorsque le caractère est situé sur le chromosome Y, il ne peut se transmettre que de père en fils.

Exemples de maladie :

• L’hypertrichose des oreilles

UE 2.4 FONCTIONNEMENT D’UNE CELLULE MUSCULAIRE

Organisation d’une fibre musculaire squelettique

Dimensions :

• Diamètre de 10 à 100 micromètres.
• Longueur : jusqu’à 30 centimètre.

Chaque fibre musculaire squelettique est une très longue cellule cylindrique renfermant de nombreux noyaux situés sous la membrane plasmique ou sarcolemme.

Le cytoplasme ou sarcoplasme renferme les organites habituels mais il abrite également :

• Des réserves importantes de glycogène
• Des myoglobines, protéine qui fixe le dioxygène
• Le réticulum sarcoplasmique, forme modifié du REL

Les tubules transverses sont des modifications particulières du sarcolemme.

Myofibrilles

Les myofibrilles constituent près de 80% du volume de la fibre musculaire et confèrent à la cellule son aspect strié. Elles représentent les éléments contractiles de la cellule musculaire.

Elle a un aspect strié lié à l’alternance de bande sombre (strie A) et bande claire (strie I). Chaque strie A présente en son centre une bande claire (strie H) visible dans les cellules musculaire au repos. La strie H est aussi divisée en deux par une ligne sombre (ligne M).

Chaque strique I est divisée par une ligne sombre (ligne Z) et chaque région comprise entre 2 lignes Z est appelée sarcomère.

L’aspect strié de la myofibrille est lié à la disposition ordonnée de fibres protéiques ou myofilaments à l’intérieur des sarcomères.

Ultra structure et composition des myofilaments

Strie A : filaments épais de myosine parcourant toute la longueur de la strie A.

Strie I : filaments fins d’actine entourant les filaments de myosine sauf au niveau de la strie H.

Sarcomère : mesure environs 2 micromètres, c’est la plus petite unité contractile de la fibre musculaire. C’est un filament de myosine entouré de filaments d’actine.

Une molécule de myosine à la forme d’une tige terminée par une tête bilobée. La tige est constituée par deux chaines polypeptidiques identiques enroulée et qualifiées de chaines lourdes. Chaque tête est formée par les extrémités des chaines lourdes associées chacune à une petite chaîne polypeptidique ou chaîne légère. Les lobes, appelés également ponts d’union, sont des sites intervenant au cours de la contraction. Dans un sarcomère, chaque filament épais de myosine est constitué d’environ 200 molécules de myosine.

Les filaments fins sont constitués d’un grand nombre de molécules d’actine G (protéine globulaire) associées en deux chaines, enroulées en hélice. Elles sont associées à la troponine et tropomyosine, protéines impliquées dans la régulation de la contraction musculaire.

Réticulum sarcoplasmique

C’est le REL complexe : le réseau de tubules qui entrelace chaque myofibrille. La plupart des tubules du réticulum sarcoplasmique parcourt les myofibrilles longitudinalement mais certains tubules forment des citernes terminales à la jonction des stries A et strie I. C’est lieu de réserve d’ions Ca²⁺.

Tubules transverses

A la jonction strie A et strie I, le sarcolemme pénètre à l’intérieur de la cellule et forme un long tube ou tubule transverse dont la lumière communique avec le liquide interstitiel. Chaque tubule transverse s’enfonce à l’intérieur de la cellule où il passe entre les paires de citernes terminales du réticulum sarcoplasmique formant des structures appelées triades.

Lien fibre nerveuse – fibre musculaire : la synapse neuromusculaire

Une fibre musculaire va se contracter si elle est stimulée par une terminaison nerveuse qui va propager un potentiel d’action sur son sarcolemme.

Les corps cellulaire des neurones moteurs impliqués se situent généralement dans l’encéphale ou la moelle spinale. Les axones de ces neurones regroupés en nerfs aboutissent aux muscles. A son entrée dans le muscle, l’axone de chaque neurone présente une multitude de ramifications ou terminaison axonale. Généralement, il existe une terminaison axonale par fibre musculaire.

La terminaison axonale n’est séparée de la fibre musculaire que par un espace restreint appelé fente synaptique. La terminaison axonale contient des vésicules synaptiques contenant un neurotransmetteur (l’acétylcholine).

Coté fibre musculaire, le sarcolemme possède des récepteurs spécifiques à l’acétylcholine.

Lorsque le potentiel d’action arrive au niveau de la terminaison axonale il y a :

• ouverture des canaux calcium
• entrée des ions Ca2+ du liquide interstitiel dans la cellule musculaire, ce qui entraine la fusion des vésicules synaptiques avec la membrane axonale
• les molécules d’acétylcholine sont libérées par exocytoses dans l’espace synaptique
• fixation de ces dernières sur les récepteurs spécifiques se trouvant sur le sarcolemme
• déclenche l’entrée des ions sodium qui déclenche des dépolarisations

Naissance et propagation d’un potentiel d’action

Comme toutes les membranes plasmiques, le sarcolemme présente un potentiel de repos.

Etape 1

Les molécules d’acétylcholine se fixent au niveau de récepteurs membranaires du sarcolemme. Ouverture au niveau des récepteurs, des canaux à sodium ligand dépendant. Les ions Na+ entre dans la cellule musculaire, ce qui dépolarise le sarcolemme.

Remarque : l’acétylcholine libérée par le neurone moteur est rapidement inactivée par une enzyme, l’acétylcholinestérase présente sur le sarcolemme et dans la fente synaptique. La choline libérée par hydrolyse de l’acétylcholine est capturée par la terminaison axonale permettant la synthèse de nouvelles molécules d’acétylcholine.

Etape 2

Naissance et propagation d’un potentiel d’action musculaire. Si la dépolarisation est suffisante, un potentiel d’action musculaire est engendré grâce à l’ouverture de canaux à sodium voltage dépendant. Les Na+ entre dans la cellule selon le gradient de concentration. Le potentiel d’action se propage très rapidement dans le sarcolemme.

Etape 3

Retour au potentiel de repos membranaire. Si tôt le passage de la vague de dépolarisation passée, la perméabilité du sarcolemme se modifie, les canaux à sodium se referme, les canaux à K+ s’ouvrent permettant la sortie du K+ et donc la repolarisation de la cellule. Les concentrations ioniques initiales sont rétablies par les pompes à sodium ATP dépendantes.

Remarque :

• Pendant la repolarisation, la fibre musculaire ne plus être stimulée tant qu’elle n’est pas entièrement repolarisée : elle est en période réfractaire.
• Une fois amorcée, le potentiel d’action ne peut être arrêté : il entraine la contraction complète de la fibre musculaire : c’est la loin du tout ou rien. La fibre musculaire se contracte au maximum de sa capacité ou ne se contracte pas.
• Un potentiel d’action dure environ 2ms alors que la phase de contraction musculaire peut durer 100ms ou plus.

Réponse de la fibre musculaire à la stimulation

Mécanisme de contraction de la fibre musculaire

Lors de la contraction d’une fibre musculaire, chacun de ses sarcomères se raccourcissent donc les myofibrilles se raccourcissent, comme l’ensemble de la cellule. Les filaments d’actine et de myosine gardent la même longueur.

Pendant la contraction de la cellule les filaments d’actine glissent le long des filaments épais de myosine.

Le mécanisme de glissement fait intervenir les têtes de myosine et leurs sites de liaison sur les molécules d’actine des filaments fins. Dans une cellule musculaire au repos, la contraction en Ca2+ dans le cytoplasme est faible. Le complexe troponine-tropomyosine s’interpose entre les têtes de myosine et leurs sites de fixation sur les molécules d’actine.

Séquence du mécanisme de glissement

Les têtes des molécules de myosine s’accrochent sur des sites de liaison situés sur les molécules d’actine permettant le glissement des filaments d’actine. Chaque tête de myosine s’attache et se détache plusieurs fois pendant la contraction pour produire une tension et tirer le filament d’actine vers le centre du sarcomère. Ce phénomène s’opère en même temps dans les sarcomères de toutes les myofibrilles de la cellule musculaire.

Etape 1

La tête de myosine se lie au niveau du site de liaison fixé sur le filament d’actine. Elle est en configuration de haute énergie.

Etape 2

La tête de myosine pivote, se relie et tire le filament d’actine. Libération d’ADP+Pi. La tête de myosine est toujours attachée au site de liaison de l’actine.

Etape 3

Une molécule d’ATP se lie à la tête de myosine, ce qui entraine son détachement du site de fixation au niveau de l’actine.

Etape 4

La molécule d’ATP hydrolysé, la tête de myosine est alors en configuration de haute énergie et peut se fixer sur un autre si de liaison de l’actine.

Bilan : lien stimulation – contraction de la fibre musculaire

Le potentiel d’action est très court (2ms) et prend fin avant le début de la phase de contraction.

Le temps de latence est le laps de temps entre le début du potentiel d’action et le début de la contraction musculaire. C’est là qu’on lieu les étapes conduisant au couplage stimulation-contraction. Nous allons étudier la séquence des évènements conduisant au couplage stimulation-contraction

Etape 0

Exocytose du neurotransmetteur (acétylcholine) dans la fente synaptique.

Etape 1

Propagation du potentiel d’action post synaptique dans le sarcolemme et le long du tubule transverse. Il parvient aux triades.

Etape 2

La citerne terminale libère des ions Ca²⁺ dans le sarcoplasme.

Etape 3

Une partie de Ca2+ se lie à la tropomyosine qui change de forme entrainant le déplacement de la tropomyosine sur les filaments d’actine. Les sites de liaison actine myosine sont à découvert.

Etape 4

Les têtes de myosine se lient aux filaments d’actine. La fibre musculaire se contracte.

Etape 5

Les pompes à Ca²⁺ ATP dépendantes ramènent les Ca²⁺ dans les citernes. Le pompage nécessite un certain temps.

Etape 6

La concentration en Ca²⁺ dans la région des sites de liaison Ca²⁺/troponine diminue. La concentration s’arrête quand les Ca²⁺ se détachent de la troponine. Le complexe troponine/tropomyosine reprend sa place initiale. Les sites de liaison actine/myosine sont masqués. La fibre musculaire se détend.

UE 2.4 FONCTIONNEMENT D’UN NEURONE

Le neurone est l’unité structurale et fonctionnelle du système nerveux. Ces cellules hautement spécialisées acheminent les messages sous forme d’influx nerveux entre les parties du corps. Ils ont une durée de vie extrême (plus de 100ans), ils sont amitotiques et possède une vitesse métabolique très élevée.

Le neurone est composé d’un corps appelé corps cellulaire, et de deux types de prolongements :

• L’axone, unique, qui conduit le potentiel d’action de manière centrifuge
• Les dendrites, qui sont en moyenne 7 000 par neurone et qui conduisent les potentiels d’action de manière centripète.

La morphologie, la localisation et le nombre de ces prolongements, ainsi que la forme du corps cellulaire, varient et contribuent à définir différentes familles morphologiques de neurones. Par exemple, il existe des neurones unipolaires ou multipolaires.

Le diamètre du corps des neurones varie selon leur type, de 5 à 120 μm. Il contient le noyau, bloqué en interphase et donc incapable de se diviser, et le cytoplasme. On trouve dans le cytoplasme le réticulum endoplasmique rugueux, les appareils de Golgi, des mitochondries et des neurofilaments qui se regroupent en faisceau pour former des neurofibrilles.

L’axone (ou fibre nerveuse) a un diamètre compris entre 1 et 15 μm, sa longueur varie d’un millimètre à plus d’un mètre. Le cône d’émergence, région extrêmement riche en microtubules, constitue l’origine de l’axone. Il est également appelé zone gâchette car il participe à la genèse du potentiel d’action. Il décrit un trajet plus ou moins long (quelquefois plusieurs mètres) avant de se terminer en se ramifiant (c’est l’arborisation terminale). Chaque ramification se termine par un renflement, le bouton terminal ou bouton synaptique. Cependant, s’observent aussi des « enfilades » de renflements synaptiques sur un même segment axonal constituant des synapses en passant. La membrane plasmique de l’axone, ou axolemme, contient l’axoplasme en continuité avec le cytoplasme du corps cellulaire. Il est constitué de neurofilaments, de microtubules et de microvésicules. Certains axones sont recouverts d’une gaine de myéline, formée par des cellules gliales, les cellules de Schwann dans le système nerveux périphérique, et les oligodendrocytes dans le système nerveux central. On estime qu’environ un axone sur trois est recouvert de myéline. Le recouvrement des axones par la myéline est en fait discontinu, séparé par les nœuds de Ranvier, lesquels sont isolés par des astrocytes. Ce recouvrement permet une plus grande vitesse de passage de l’information nerveuse.

Les dendrites sont nombreuses, courtes et très ramifiées dès leur origine. Elles sont parfois recouvertes d’épines dendritiques. Contrairement à l’axone, elles ne contiennent pas de microvésicules permettant la transmission de l’information à l’extérieur du neurone. La dendrite conduit l’influx nerveux, induit à son extrémité, jusqu’au corps cellulaire : c’est un prolongement afférent.

Potentiel de repos de la membrane

Dispositif expérimental

Pour mettre en évidence les phénomènes électriques au niveau de la membrane cellulaire, les physiologistes utilisent des microéléctrodes. Une microélectrode enregistre un potentiel électrique c’est-à-dire la quantité de charges + et – à un endroit donné. Le dispositif d’enregistrement calcule la différence de potentiel (ddp) qui existe entre les 2 microélectrodes.

Il existe une différence de potentiel entre la face externe de la membrane cellulaire et la face interne. Cette ddp est négative car il y a plus de charge négative à l’intérieur de la cellule (présence d’anions).

Un potentiel de repos cellulaire est une ddp qui existe entre la face interne et la face externe de membrane cellulaire non stimulée.

Origine du potentiel de repos

Le potentiel de repos résulte de la différence de répartition des charges entre le cytoplasme et le liquide interstitiel.

Dans le cytoplasme on retrouve :

• Na+ à 50 mmol/L
• K+ à 400 mmol/L

Dans le liquide interstitiel on retrouve :

• Na+ à 440 mmol/L
• K+ à 20 mmol/L

La répartition de ces ions est due à la pompe Na+/K+ qui nécessite un transport actif.

Potentiel gradué – Potentiel d’action

Le potentiel de membrane peut être modifié par tout changement de la perméabilité membranaire. Il peut ainsi se produire des dépolarisations ou des hyperpolarisation.

Une modification du potentiel de membrane peut conduire à 2 phénomènes :

• Des potentiels gradués qui se propagent sur de courtes distances
• Des potentiels d’action qui se propagent sur de longues distances

Potentiel gradué

Le potentiel gradué correspond à des modifications locales et de courte durée du potentiel de repos qui peuvent être :

• Hyperpolarisations
• Dépolarisations

Après une dépolarisation locale de la membrane les charges + ou – qui apparaissent au niveau de la région dépolarisée sont attirée par les charges opposés adjacentes de la région au repos créant ainsi une inversion de polarité de la membrane. Le déplacement de ces ions crée une zone électropositive (un courant locale) qui se propage dans les deux directions de la membrane cellulaire.

Les potentiels gradués de propagent sur de courtes distances car la majeure partie des charges qui se déplacent est vite perdue à travers la membrane plasmique (celle-ci étant perméable), ainsi, le déplacement des charges va être décroissant et le courant local devient rapidement nul. Les potentiels gradués se propagent donc sur de courtes distances. Plus le potentiel gradué est élevé et plus la distance parcourue sera grande.

Ils sont appelés potentiels gradués car ils sont directement proportionnels à l’intensité de la stimulation. Plus la stimulation est forte et plus la tension sera importante.

Potentiel d’action

Les neurones communiquent entre eux et avec les cellules des effecteurs musculaires ou glandulaires en produisant et en propageant des potentiels d’action le long de leur axone. Un potentiel d’action est une brève inversion du potentiel de membrane d’une amplitude d’environ 100mV.

Les différences entre potentiel d’action (PA) et potentiel gradué (PG) sont :

• Leur intensité ne diminue pas au fur et à mesure de leur propagation (PA)
• Leur intensité est toujours la même, elle n’est pas proportionnelle à l’intensité du stimulus (PA)

Production et propagation d’un potentiel d’action

Les potentiels d’action prennent naissance au niveau de la zone gâchette. Il se créé grâce à des canaux voltage dépendant (passif) qui stimulent la cellule.

Accroissement de la perméabilité de membrane aux ions Na+

Lorsqu’un potentiel gradué atteint la zone gâchette de l’axone, il provoque une courant local qui ouvre les canaux voltage dépendant à Na+ de cette région : les ions Na+ diffuse vers l’intérieur de la cellule (selon le gradient de concentration). La face intracellulaire de la membrane devient électropositive, c’est la phase de dépolarisation.

Si la dépolarisation de la membrane atteint un niveau critique, appelé seuil d’excitation de -55mV à -50mV d’autres canaux Na+ voltage dépendants à proximité s’ouvrent permettant l’entrée massive des ions Na+. Le potentiel de membrane passe de -70mV à +40mV c’est la phase de dépolarisation.

Diminution de perméabilité aux ions Na+

La phase d’ascension rapide du potentiel d’action (donc la perméabilité aux ions Na+) ne dure qu’environ 1ms. Les canaux à Na+ voltage dépendants se ferment (résistance à l’entrée de nouvelles charges positives) : la perméabilité aux ions Na+ diminue et la diffusion des ions Na+ s’arrête.

Augmentation de la perméabilité aux ions K+

Les canaux à K+ voltage dépendants s’ouvrent : les ions K+ sortent de la cellule. La diffusion des ions K+ du milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire se fait selon le gradient de concentration.

L’intérieur de la membrane devient de moins en moins électropositive : le potentiel de membrane revient au niveau de repos. C’est la phase de repolarisation. On observe parfois une hyperpolarisation liée aux canaux voltage dépendants à K+ qui restent ouvert au-delà du temps nécessaire à la repolarisation.

Retour au potentiel de repos

La repolarisation rétablit les conditions de potentiel de repos mais pas la distribution ionique initiale. C’est l’activation de la pompe à Na+/K+ qui rétablit l’équilibre pour revenir au potentiel de repos membranaire.

Propagation du potentiel d’action

La présence d’un potentiel d’action en un point de la membrane dépolarise celle-ci qui déclenche l’ouverture des canaux à Na+ voltage dépendant et K+ voltage dépendant à proximité et le déclenchement d’un nouveau potentiel d’action.

Contrairement au potentiel gradué, le potentiel d’action ne se propage que dans un seul sens : dans la région qui vient de produire un potentiel d’action, les canaux sodique voltage dépendant sont fermés ; ainsi aucun nouveau potentiel d’action ne pourra être produit à cet endroit ; on parle de zone réfractaire.

Le potentiel d’action qui se crée au niveau de la zone gâchette ne peut donc se propager que dans un seul sens : de la zone gâchette vers les boutons terminaux. La propagation du potentiel d’action le long de l’axone est appelée influx nerveux.

Vitesse de propagation

Les facteurs qui influencent la vitesse de l’influx nerveux sont :

• Le diamètre de l’axone (fibre nerveuse)
• La présence ou non de myéline

Pour les axones myélinisés, les canaux voltage dépendants se trouvent seulement au niveau des nœuds de la neurofibre (nœud de Ranvier).

L’influx nerveux se propage de nœud de Ranvier en nœud de Ranvier : c’est le pouvoir saltatoire.

Remarque :

• La sclérose en plaque est une maladie auto-immune se caractérisant par l’altération graduelle de la gaine de myéline dans le SNC. Les symptômes sont : les troubles de vision, la perte de maitrise musculaire.
• Un bon nombre de facteurs physiques ou chimiques perturbent la propagation des influx selon les mécanismes d’action différents :
  • L’alcool, les sédatifs, les anesthésiques bloquent les influx diminuant la perméabilité de la membrane aux ions sodium.
  • Le froid, la pression perturbent la propagation des influx nerveux par diminution de l’apport en O2 et en nutriments.

Seul d’excitation – loi du tout ou rien

La dépolarisation doit atteindre un certain seuil pour déclencher un potentiel d’action (de -70mV à -55/-50mV). On parle de dépolarisation ou de stimulus supra-liminaires supérieur à -50mV ou liminaires environs égale à -50mV.

Des stimuli trop faibles ou infra–liminaires produisent des dépolarisations trop faibles et ne déclenchent pas de potentiel d’action. Le potentiel d’action obéit à la loi du tout ou rien.

Codage de l’intensité du stimulus

Une fois produits, les potentiels d’action sont tous indépendants du stimulus et sont tous semblables. L’intensité du stimulus (la fréquence des potentiels d’action) est codée toujours de même façon. Elle dépend du nombre de potentiel d’action déclenchés (le train de potentiel d’action).

Synapse

C’est une jonction permettant le transfert de l’information interneuronale (neuro-neuronale) ou d’un neurone à une cellule effectrice (neuromusculaire ou neuroglandulaire).

Parmi les synapses neuro-neuronales, les plus fréquentes sont :

• Synapse axo-somatique: entre le corpuscule nerveux terminal et le corps cellulaire
• Synapse axo-axonale: entre le corpuscule nerveux terminal et la zone gâchette de l’axone
• Synapse axo-dendritique: entre le corpuscule nerveux terminal et les dendrites

On distingue les neurones :

• Présynaptiques: envoi l’influx nerveux vers la synapse
• Postsynaptiques: reçoit l’influx nerveux

Synapses électriques

Localisation :

• Chez l’adulte dans certaines régions de l’encéphale
• Abondant dans certains tissus nerveux, muscles lisses, tissu cardiaque, permettant des excitations rythmiques

Description : ce sont des jonctions ouvertes (ou lacunaires) entre les membranes plasmiques de 2 neurones adjacents.

Caractéristiques :

• Transmission très rapide
• Communication uni ou bidirectionnelle

Synapses chimiques

Les synapses chimiques étant toujours polarisées et fonctionnant à l’aide d’un neurotransmetteur, elles présentent à la fois une asymétrie de structure et une asymétrie fonctionnelle.

Au niveau présynaptique, la terminaison axonale forme un petit renflement ou bouton terminal qui présente trois caractéristiques :

• Il est riche en mitochondries ;
• Il renferme de nombreuses vésicules qui peuvent contenir plus de 10 000 molécules de neurotransmetteur ;
• Sa membrane présente un matériel dense aux électrons, la grille synaptique, qui correspond à une organisation particulière du cytosquelette impliqué dans les processus d’exocytose.

Au niveau post-synaptique, l’élément nerveux (dendrite, soma ou axone) ne renferme pas de vésicule mais présente également une région sous-membranaire dense aux électrons qui est due à une organisation particulière du cytosquelette permettant l’ancrage des récepteurs sur lesquels se fixent les neurotransmetteurs.

Quant à la fente synaptique, qui occupe l’espace entre les deux régions membranaires présentant un matériel dense aux électrons, distantes en moyenne de 20 à 50 nm, elle ne présente pas de différenciation morphologique particulière.

Schématiquement, la transmission synaptique comprend cinq étapes :

• la synthèse du neurotransmetteur dans l’élément présynaptique,
• le stockage du neurotransmetteur dans la terminaison présynaptique,
• la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique,
• la combinaison du neurotransmetteur avec les récepteurs post-synaptiques,
• l’inactivation du neurotransmetteur après dissociation du complexe récepteur-neurotransmetteur.

Le neurotransmetteur est généralement synthétisé dans les boutons terminaux à partir de précurseurs qui ont pénétré localement dans la terminaison ou qui ont migré par transport axonal antérograde à partir du soma avec les enzymes nécessaires à la synthèse. Il est ensuite stocké dans les vésicules synaptiques où il est à l’abri d’une éventuelle destruction enzymatique. Le plus souvent, il se répartit en deux compartiments :

• l’un immédiatement libérable (en général le plus récemment synthétisé),
• l’autre de réserve (en général lié à des protéines intravésiculaires).

L’arrivée d’un potentiel d’action dans la terminaison présynaptique va déclencher plusieurs phénomènes qui aboutiront à la libération du neurotransmetteur, à sa fixation sur les récepteurs post-synaptiques et à leur activation.

Etape 1

En premier lieu, la dépolarisation membranaire provoque l’ouverture de canaux électrodépendants au calcium. Celui-ci rentre alors dans la cellule en raison du gradient électrique et de son gradient de concentration de sorte que la dépolarisation se traduit par une augmentation de la concentration de calcium intracellulaire (il ressortira, comme le sodium, par un mécanisme de transport actif).

Etape 2

La présence de calcium à l’intérieur de la cellule permet alors d’activer la phosphorylation de certaines protéines assurant la liaison entre le cytosquelette et les vésicules synaptiques, ce qui provoque leur migration jusque la membrane. Une fois en contact avec la membrane, elles libèrent leur contenu par exocytose de sorte que la dépolarisation aboutit à la libération du neurotransmetteur dans la fente synaptique.

Etape 3

Le neurotransmetteur présentant une forte affinité avec les récepteurs de la membrane post-synaptique, il s’y fixe par complémentarité stérique. Or ces récepteurs sont des protéines-canaux chimiodépendantes, c’est-à-dire que leur ouverture dépend de la présence d’une substance chimique, en l’occurrence ici le neurotransmetteur. La combinaison d’une (souvent deux) molécule(s) de neurotransmetteur avec le récepteur ouvre donc le canal et permet à l’espèce ionique correspondante (Na+, Ca2+, Cl- ou K+ selon les cas) de diffuser selon son gradient de concentration ce qui a pour effet de modifier localement le potentiel de membrane de l’élément post-synaptique.

Selon le type de synapse considéré, la combinaison neurotransmetteur-récepteur se traduit par une dépolarisation ou une hyperpolarisation de la membrane post-synaptique.

Etape 4

Dans le cas d’une synapse excitatrice, le neurotransmetteur ouvre une protéine-canal au sodium ou au calcium. Il s’ensuit une augmentation de cations intracellulaires ce qui a pour effet de provoquer une dépolarisation locale qu’on qualifie de potentiel post-synaptique excitateur (PPSE).

Dans le cas d’une synapse inhibitrice, le neurotransmetteur ouvre une protéine-canal au chlore ou au potassium ce qui a pour effet de provoquer une hyperpolarisation locale (par entrée de chlore ou sortie de potassium) qu’on qualifie de potentiel post-synaptique inhibiteur (PPSI).

Etape 5

Il reste ensuite à inactiver le neurotransmetteur pour éviter que la dépolarisation ou l’hyperpolarisation qu’il a provoqué en se combinant avec les récepteurs post-synaptiques ne se prolonge et empêche la synapse de fonctionner normalement. Selon le type de neurotransmetteur, deux mécanismes sont responsables de cette inactivation :

• soit il est dégradé par une enzyme spécifique dans la fente synaptique ;
• soit il est recapté (cas le plus courant) par la terminaison présynaptique et peut ainsi être réutilisé.

Si toutes les synapses chimiques fonctionnent selon ce schéma, la réalité est toutefois beaucoup plus complexe dans la mesure où la transmission met généralement en jeu d’autres mécanismes qui peuvent potentialiser la synapse, c’est-à-dire la rendre plus ou moins efficace dans le temps.

Neurotransmetteurs

Si toutes les synapses chimiques fonctionnent selon ce schéma, la réalité est toutefois beaucoup plus complexe dans la mesure où la transmission met généralement en jeu d’autres mécanismes qui peuvent potentialiser la synapse, c’est-à-dire la rendre plus ou moins efficace dans le temps. Citons :

• la coexistence de plusieurs neurotransmetteurs dans la terminaison présynaptique, pas forcément libérés en même temps
• l’existence au niveau du bouton terminal de récepteurs présynaptiques sensibles à l’action du neurotransmetteur qui vient d’être libéré
• la production de neuromodulateurs par la terminaison synaptique qui, une fois libérés par exocytose, modifient la sensibilité des récepteurs post-synaptiques vis-à-vis des neurotransmetteurs
• la libération par l’élément post-synaptique de substances qui agissent en retour sur la terminaison présynaptique de manière à diminuer ou à augmenter son activité
• le renforcement ou l’affaiblissement de la transmission par les astrocytes présents au niveau de la synapse après qu’ils aient été stimulés par un flux d’ATP en provenance de la terminaison présynaptique

 

Ajoutons qu’on connaît aujourd’hui plus d’une centaine de neurotransmetteurs et que la liste ne cesse de s’allonger. Parmi les plus répandus, citons :

• l’acétylcholine (Ach), une amine quaternaire excitatrice qui est dégradée dans la fente synaptique par l’acétylcholinestérase ;
• l’aspartate et le glutamate, deux acides aminés excitateurs qui sont recaptés
• le GABA (acide γ amino-butyrique), un acide γ aminé (qui n’entre donc pas dans la composition des protéines) qui est le principal inhibiteur du système nerveux et qui est recapté
• la glycine, un autre acide aminé inhibiteur également recapté
• l’adrénaline, la noradrénaline et la dopamine, trois catécholamines synthétisées à partir de la tyrosine qui peuvent être excitatrices ou inhibitrices et qui sont en grande partie recaptées
• la sérotonine, une indolamine synthétisée à partir du tryptophane qui peut être excitatrice ou inhibitrice et qui est recaptée
• la substance P, un petit peptide de onze acides aminés excitateur qui fut le premier neuropeptide découvert et qui est dégradé dans la fente synaptique.

 

UE 2.4 CYCLE DE VIE CELLULAIRE

Cycle cellulaire

Interphase

Ensemble des étapes qui se situent entre deux divisions cellulaires successives. Se subdivises-en :

• Phase G1 : croissance cellulaire intense et activité métabolique. Sa durée est variable. Les cellules qui ont cessé de se diviser sont en phase G0.
• Phase S : réplication de l’ADN.
• Phase G2 : synthèse de cellules et des protéines nécessaire à la division cellulaire.

Réplication de l’ADN

Elle a lieu pendant la phase S du cycle cellulaire. La réplication commence simultanément sur plusieurs filaments de chromatine. L’ADN se réplique par petites unités appelées « réplicons » qui contiennent de 50000 à 300000 bases azotées et se poursuit jusqu’à la réplication de l’ADN dans sa totalité.

Les étapes de la réplication de l’ADN :

• Déroulement des hélices d’ADN qui se dégagent des nucléosomes. Intervention de l’hélicase, enzyme qui déplie la double hélice exposant les bases azotées. Région où se fait la séparation des deux brins = fourchette de réplication.
• Chaque brin de l’hélice d’ADN devient un modèle servant à la construction d’une nouvelle chaine nucléotidique.
• Des primases catalysent la formation de courtes séquences d’ARN : les amorces.
• Intervention de l’ADN polymérase: elle place, à partir de l’amorce d’ARN, les nucléotides complémentaires à ceux du brin matrice. Elle fonctionne dans une seule direction dans le sens 5’ -> 3’ vers la fourche de réplication.
• L’un des brins, le brin avancé ou précoce est synthétisé de façon continue à partir de l’amorce ARN.
• L’autre brin, le brin retardé ou tardif, est synthétisé «  à reculons », de façon discontinue, sous forme de petits fragments. Chaque fragment nécessite une amorce d’ARN.
• Les amorces d’ARN sont ensuite enlevées et remplacées par de l’ADN (intervention de la ligase).

Caractéristiques fondamentales de la réplication :

• Semi conservatrice : 1 brin matrice pour 1 brin fils
• Bi dimentionnelle : 5’ -> 3’ sur deux brins : 1 brin avancé (continu) + 1 brin retardé (discontinu)
• Fait intervenir 4 enzymes (primase, ADN polymérase, ligase, hydrolase)
• Besoin d’énergie : hydrolyse les liaisons phosphodiester
• Doit être fidèle

La division cellulaire

La mitose

La prophase :

La prophase débute lorsque les filaments de chromatine s’enroulent et se condensent pour former les chromosomes en forme de bâtonnets visibles au microscope optique et constitués de deux chromatides. Les deux chromatides correspondent aux deux « copies » d’une même molécule d’ADN demeurant unies au niveau du centromère. Les nucléoles disparaissent. Les paires de centrioles sont le point de départ du fuseau mitotique et se séparent. L’enveloppe nucléaire se fragmente. Certains microtubules du fuseau s’attachent à des complexes protéiques situés sur les centromères des chromosomes ou kinétochores.

La métaphase :

Les chromosomes se regroupent à l’équateur du fuseau mitotique formant une figure particulière, la plaque équatoriale.

L’anaphase :

Les centromères de chaque chromosome se séparent et chaque chromatide devient un chromosome indépendant. Les microtubules des kinétochores se raccourcissent et tirent les chromosomes vers chaque pole du fuseau.

La télophase :

Les chromosomes se déroulent et redeviennent des filaments de chromatine diffuse. Le fuseau mitotique se désintègre et disparait. L’enveloppe nucléaire se reconstitue à partir du RER. Les nucléoles se reconstituent. La division du noyau est achevée. L’obtention des deux cellules filles nécessite la division du cytoplasme entre les deux noyaux fils : c’est cytocinèse.

La cytocinèse

Un anneau contractile de filaments d’actine tire vers l’intérieur la partie de la membrane qui entoure le centre de la cellule formant un sillon annulaire. La masse du cytoplasme est ainsi partagée entre les deux cellules filles. Elles entrent en interphase. On arrive à 2 cellules qui ont chacunes 23 paires de chromosomes à 1 chromatide.

Régulation du cycle cellulaire

Le cycle cellulaire est inhibé par contact, c’est à dire dès que les cellules se touchent. Il est régulé aussi par les hormones et/ou facteur de croissance, et par des protéines intracellulaires.

Il existe deux groupes de protéines jouant un rôle central dans la régulation du cycle cellulaire :

• Les cyclines
• Les kinases dépendantes des cyclines (CdK) : ajoute ou retire des groupements phosphate.

Entre 1990 et 2000 une douzaine de cyclines/CdK ont été décrites chez l’homme et six interviennent dans le contrôle direct du cycle cellulaire.

L’association des deux protéines déclenche des réactions enzymatiques qui inhibe ou active certaines protéines intervenant dans le cycle cellulaire : réplication de l’ADN, compaction des chromosomes, fragmentation de l’enveloppe nucléaire …

Evolution de la quantité d’ADN au cours du cycle cellulaire

Interphase :

• G1 : n chromosome à 1 chromatide
• S : doublement de la quantité d’ADN
• G2 : n chromosome à 2 chromatides

Mitose :

• Division cellulaire, division de la quantité d’ADN

Développement et vieillissement des cellules

Pendant l’enfance et l’adolescence l’organisme poursuit sa croissance en produisant de nouvelles cellules. A l’âge adulte, la division cellulaire sert avant tout au remplacement des cellules à vie courte et à la réparation des lésions. Le nombre des cellules reste relativement constant.

Différenciation cellulaire

Une cellule différenciée n’est plus capable de se diviser (phase G0). C’est une cellule qui exprime des protéines spécifiques et possède une fonction particulière dans l’organisme.

Deux cellules souches identiques peuvent aboutir à deux cellules complétement différentes grâce à l’expression de leurs gênes. Une cellule possède environs 100000 gênes et une cellules différencier n’exprime que 10% de son génome.

Cellules souches

Ce sont des cellules indifférenciées, elles peuvent devenir des cellules différenciées ainsi que rester des cellules souches. Elles constituent le capitale cellulaire.  Elles sont capables de se différencier et de se diviser.

Il existe 3 types de cellules souches :

• Unipotente: ne peut se divisé qu’en un seul type de cellule différenciée (ex : myoblaste -> myocyte)
• Totipotente: cellule embryonnaire. Peut se différencier en n’importe qu’elle cellule différenciée.
• Pluripotente: peut donner différents types de cellules spécialisées mais d’une seule lignée cellulaire. Ce sont les cellules souches qui sont à l’origine des cellules sanguines (hémocytoblaste).

Le vieillissement des cellules et apoptose

Phénomène	APOPTOSE	NECROSE
Evènement à l’origine du phénomène	Vieillesse Programmé	Accidentel : anoxie, dommage physique et chimique
Cause	Physiologique : fonctionne moins bien Pathologique	Pathologique Intoxication
Devenir de l’ADN	Condensation chromatine Hydrolyse ADN : fragmentation régulière	Fragmentation irrégulière
Devenir de la cellule	Fragmentation : phagocytose	Rupture cellulaire : –          Eclatement par turgescence –          Grossissement –          Réaction inflammatoire
Conséquence sur les cellules et tissus avoisinants	Aucune	Inflammation

Causes du vieillissement cellulaire :

• Nombre limite de division cellulaire : fragmentation d’un bout de télomère à chaque division
• Soumis à des facteurs physico-chimiques (UV, Rx, O2, Alcool) vont dégrader certaines de ces molécules.

Apoptose : mort cellulaire programmé grâce à des signaux externes (facteurs de croissance, hormones, manques d’O2) ou interne (ADN dégradé).

Nécrose : mort cellulaire accidentelle

UE 2.4 NOTION DE TISSUS

Tissu : assemblage de cellules différenciées (=spécialisées) qui ont une structure semblable et qui remplissent des fonctions identiques ou analogues. Chaque tissu se divise en un grand nombre de sous classes ou de variétés. Il existe quatre tissus primaires :

• Tissu épithélial
• Tissu conjonctif
• Tissu musculaire
• Tissu nerveux

Origine embryonnaire des 4 catégories de tissus

Toutes les cellules de l’organisme sont issues de l’ovule fécondé. Au cours des périodes embryonnaire et fœtale, les cellules se divisent par mitose. A cinq jours, l’embryon se présente sous forme d’une sphère creuse à l’intérieur de laquelle se trouve un amas de cellules appelé « bouton embryonnaire ». L’enveloppe  de la sphère ou trophoblaste évolue pour donner le placenta. Le bouton embryonnaire s’engage dans un processus de divisions cellulaires qui aboutira à la formation de tous les tissus du futur enfant. A 16 jours, l’embryon présente 3 feuillets de tissus embryonnaires superposés :

• L’ectoderme, le plus externe
• Le mésoderme, médian
• L’endoderme, le plus profond

C’est à partir des trois feuillets de tissus embryonnaires, ectoderme, mésoderme, endoderme, que se forment les quatre tissus primaires.

Tissus embryonnaires	Ectoderme	Mésoderme	Endoderme
Tissus après la naissance	Tissus nerveux Tissus épithéliales	Tissus conjonctif Tissus musculaire Tissus épithéliales

Après la naissance jusqu’à l’âge adulte la plupart des cellules subissent encore des mitoses.

Chez l’adulte, les divisions cellulaires servent avant tout au remplacement des cellules à vie courte (cellules épithéliales, cellules sanguines…) ainsi qu’à la réparation des lésions.

Dans certains tissus, la régénération des tissus se fait par divisions des cellules adultes spécialisées (cellules du foie par exemple). Dans d’autres tissus (épiderme, muqueuse intestinale) se trouvent des cellules souches qui se divisent pour produire de nouvelles cellules.

Les jonctions cellulaires

Dans de nombreux tissus, il existe entre les cellules des dispositifs au niveau des membranes plasmiques, les jonctions cellulaires, qui permettent aux cellules d’être solidaires les unes des autres. Il existe trois grands types de jonctions cellulaires : desmosomes, jonctions serrées,  jonctions ouvertes ou lacunaires.

Desmosomes

Formés par les membranes des deux cellules adjacentes qui restent distantes de 200nm environ. Dans l’espace intercellulaire se trouvent des glycoprotéines. Des filaments du cytosquelette sont ancrés sur des plaques protéiques situées sur les faces cytoplasmiques des desmosomes.

Forment un réseau de câbles entre les cellules ce qui évite les déchirements. Contribuent à l’adhérence des cellules.

Localisation :

• Peau (cellules épithéliales)
• Cœur (cellules musculaires)

Jonction serrées

Correspondent à des accolements des membranes plasmiques des deux cellules voisines. Elles sont constituées par un assemblage de protéines.

Assurent la cohésion entre les cellules et l’étanchéité en empêchant les molécules de s’infiltrer entre les cellules adjacentes.

Localisation :

• Muqueuse intestinale (cellules intestinales)

Jonctions ouvertes ou lacunaires

Canaux protéiques remplis de 1.5nm de diamètre qui relient directement deux cellules adjacentes.

Permettent le passage d’ions ou de petites molécules d’une cellule à l’autre.

Localisation :

• Muscles (cellules excitables)
• Nerfs (cellules excitables)

Tissu épithélial

Définition – localisations – caractéristiques d’un tissu épithélial

Un tissu épithélial se trouve à la surface du corps ou au niveau des cavités corporelles, et des glandes.

Il est formé de cellules jointives. Les cellules sont serrés les unes contre les autres. Cohésion renforcée par des jonctions cellulaires : desmosomes et jonctions serrées.

Il présente une polarité :

• Une surface apicale libre exposée à l’extérieur ou à la cavité de l’organe.
• Une surface basale attachée au tissu conjonctif sous-jacent.

Les cellules situées près de la surface apicale n’ont généralement pas, ni la même structure, ni les mêmes fonctions que les cellules situées près de la surface basale.

La surface apicale peut être lisse ou présente des microvillosités ou des cils. La surface basale repose sur une lame basale constituée par des glycoprotéines secrétées par les cellules épithéliales. Joue le rôle de filtre sélectif vis-à-vis  de substances qui diffuseront du tissu conjonctif sous-jacent vers le tissu épithélial.

Il est soutenu par le tissu conjonctif sous-jacent. Sous la lame basale se trouve la lame réticulaire formée par des fibres de collagène, éléments du tissu conjonctif. L’ensemble, lame basale et lame réticulaire, forme la membrane basale, qui renforce le tissu épithélial = frontière entre les deux tissus.

Il est innervé et avasculaire. Il présente des fibres nerveuses mais sont dépourvus de vaisseaux sanguins. Se nourrit grâce aux capillaires du tissu conjonctif sous-jacent.

Il se régénère. Les cellules épithéliales se multiplient rapidement pour remplacer les cellules mortes tant qu’elles reçoivent tous les nutriments dont elles ont besoin.

On distingue :

• Les épithéliums de revêtement
• Les épithéliums glandulaires formant les glandes de l’organisme. Les tissus épithéliaux exercent de nombreuses fonctions dont :
  • La protection
  • La sécrétion
  • L’absorption
  • La filtration

Critères de classification des tissus épithéliaux de revêtement

On distingue un tissu en fonction :

• Du nombre de couches de cellules
  • Une seule couche de cellules : épithélium simples
  • Plusieurs couches de cellules : épithélium stratifié
• De la forme des cellules
  • Cellule squameuses (aplaties) : pavimenteux
  • Cellules cubiques
  • Cellules prismatiques (allongées)

Epithéliums glandulaires

Ils ont pour fonction de synthétiser, de stocker puis de secréter une substance particulière. Les cellules épithéliales glandulaires peuvent être isolées (cellules dispersées dans un épithélium parmi d’autres cellules) ou regroupées en glandes sécrétrices. On distingue :

• Les glandes endocrines: secrètent dans le corps
  • Ex : Hypophyse libère et produit des hormones pour aller dans le sang
• Les glandes exocrines: secrètent en dehors du corps
• Les glandes mixtes (endocrines/exocrines)

Les glandes exocrines n’excrètent pas leurs produits de la même façon : forme de conduit.

On distingue :

• Les glandes mérocrines dont l’excrétion se fait par exocytose
  • Ex : Glande sudoripare : sueur
• Les glandes holocrines accumulent leurs produits jusqu’à rupture de la cellule
  • Ex : Glande sébacée : sébum

Le tissu conjonctif

Tissu le plus abondant de l’organisme. On distingue quatre grandes classes de tissus conjonctifs :

• Le tissu conjonctif proprement dit
• Le tissu cartilagineux
• Le tissu osseux
• Le tissu sanguin
• Le tissu adipeux

Les tissus conjonctifs assurent de nombreuses fonctions :

• Protection des autres tissus de l’organisme
• Transport
• Isolant

La substance fondamentale ou matrice

Constitution :

• Liquide interstitiel contenant des protéines et des protéoglycanes (polyosides + protéines)

Consistance variable selon les tissus conjonctifs :

• Liquide (plasma sanguin)
• Ferme (cartilages, tendons)
• Rigide (os)

Les fibres protéiques

• Fibres de collagène : faisceau épais et compacts (résistante)
• Fibres d’élastine : élastique : s’étire et reprenne leurs formes
• Fibres réticulaires : fibres de collagènes très fines (trouvé sur la lame basale et capillaires sanguins)

Les cellules

Chaque grande classe de tissus conjonctifs possède un type fondamental de cellules jeunes (désignées par le suffixe « blaste ») ayant la capacité de se diviser et de secréter la matrice.

Dans la plupart des tissus conjonctifs, une fois la matrice produite, les cellules jeunes se différencient (désignées par le suffixe « cyte »). Elles ont une capacité réduite à se diviser et servent à maintenir l’intégralité de la matrice.

Les autres types de cellules rencontrées dans les tissus conjonctifs :

• Les cellules adipeuses ou adipocytes renfermant des gouttelettes de lipides
• Les mastocytes intervenant dans la réaction inflammatoire
• Les macrophages participant à la phagocytose des particules étrangères des poussières aux bactéries et des débris cellulaires.

Muqueuses et séreuses

Associations de tissu épithélial et tissu conjonctif.

Les muqueuses

Ce sont des membranes qui tapissent les cavités qui s’ouvrent vers le milieu externe. Elles sont humidifiées par des sécrétions.

Les séreuses

Ce sont des membranes qui recouvre les cavités du thorax (plèvre), de l’abdomen (péritoine) et qui entoure le cœur (péricarde).

Membranes repliées comportant deux feuillets :

• Feuillet viscéral qui recouvre la face externe des organes contenus dans une cavité
• Feuillet pariétal tapissant la paroi de la cavité

Chaque feuillet est un épithélium simple squameux (mésothélium) reposant sur une mince couche de tissu conjonctif lâche. Entre les deux feuillets se trouve une sérosité claire qui lubrifie les deux feuillets et leur permet de glisser facilement l’un sur l’autre.

Le tissu musculaire

Le tissu musculaire représente presque la moitié de la masse corporelle. Il existe 3 types de cellules musculaires :

• Muscles squelettiques
• Muscles cardiaques (myocyte)
• Muscles lisses

Ils diffèrent entre eux :

• Par leur aspect microscopique
• Par leur localisation
• Par les mécanismes de contrôle des contractions

Points communs :

• Cellules musculaires de forme allongée et allongée et appelées fibres musculaires
• Contraction musculaire assurée par deux sortes de filaments protéiques: les filaments d’actine et de myosine

Les muscles exercent de nombreuses fonctions :

• Ils produisent le mouvement
• Ils maintiennent la posture
• Ils permettent de stabiliser et de protéger les articulations
• Ils permettent le dégagement de chaleur

Tissu musculaire squelettique

Localisation : rattaché aux os (tendons entre les deux) ou à la peau

Fonction : responsable des mouvements du tronc et des membranes. Maintiennent la posture. Stabilisent les articulations. Responsable de la contraction volontaire.

Caractéristiques de cellules constitutives ou fibres musculaires : très longues et indépendantes. Possèdent plusieurs noyaux. Présence de très nombreuses myofibrilles (filaments d’actine et de myosine) dont l’organisation régulière est à l’origine de l’aspect strié.

Tissu musculaire cardiaque

Localisation : constituant du muscle cardiaque ou myocarde.

Fonction : la contraction du muscle cardiaque chasse le sang contenu dans les cavités du cœur vers les vaisseaux. Responsable des contractions involontaires.

Caractéristiques de cellules constitutives ou fibres musculaires : longues et reliées entre elles (anastomosées). Possèdent un noyau en position centrale. Présence de très nombreuses myofibrilles (filaments d’actine et de myosine) dont l’organisation régulière est à l’origine de l’aspect strié.

Tissu musculaire lisse

Localisation : situé dans les parois des formations tubulaires creuses. Il forme les muscles lisses ou viscéraux : tube digestif, vessie, utérus, vaisseaux sanguins.

Fonction : modifie le calibre de ces formations tubulaires. Responsable de contractions involontaires.

Caractéristiques de cellules constitutives ou fibres musculaires : allongées. Contiennent un seul noyau en position centrale. Présence de filaments d’actine et de myosine dont la disposition est irrégulière.

Le tissu nerveux

Le tissu nerveux est formé par deux catégories de cellules :

• Les neurones, cellules nerveuses possédant de longs prolongements : produisent et transmettent des signaux électriques
• Les cellules gliales entourant les neurones et formant la névroglie : entourent et protègent les neurones

Structure d’un neurone

Corps cellulaire

Présente :

• Un noyau sphérique
• Un cytoplasme granuleux contenant :
  • Un abondant REG
  • Un complexe golgien très développé
  • Des filaments protéiques du cytosquelette en grande quantité
  • De nombreuses mitochondries
  • Des inclusions pigmentaires

Prolongements neuronaux

Il existe deux types de prolongements neuronaux :

• Les dendrites
• Les axones

Dendrites :

• Prolongements courts, effilés et très nombreux du corps cellulaires.
• Epines dendritiques : points de contacts étroits ou synapses avec d’autres neurones.

Axones :

• Issu d’une région conique du corps cellulaire, le cône d’implantation.
• De longueur très variable (neurofibres)
• Peut émettre des ramifications ou collatérales
• L’extrémité de l’axone se divise en de nombreuses ramifications terminales ou télodendrons aux extrémités renflées appelées corpuscules nerveux terminaux (boutons terminaux).
• Contient les mêmes organites que le corps cellulaire

Formation de gaine de myéline

Les axones de nombreux neurones sont recouverts d’une gaine de myéline.

De nombreuses cellulaires gliales particulières, les neurolemmocytes ou cellules de Schwann s’étendent tout le long l’axone du neurone.

Ils s’incurvent pour recevoir l’axone puis s’enroulent autour de lui. Quand l’enroulement est achevé, l’axone est entouré d’un grand nombre de couches concentriques (50 à 100) formées par les membranes plasmiques des neurolemmocytes. Ces couches concentriques de membranes plasmiques constituent la gaine de myéline proprement dite. Elle ne contient ni canaux protéiques ni transporteurs membranaires.

Le noyau et le cytoplasme sont repoussés à la périphérie et forment le neurolemme. Les neurolemmocytes adjacents le long de l’axone ne se touchent pas : les interruptions constituent les nœuds de la neurofibre (nœud de Ranvier). C’est à leur niveau que peuvent émerger les collatérales.

Parfois, les neurolemmocytes entourent les axones de plusieurs neurones sans s’enrouler autour : les axones sont dans des renforcements à la surface du neurolemmocyte ; les axones sont dits amyélinisés.

Substance blanche – substance grise

Substance grise

On désigne sous le nom de substance grise la partie des tissus du système nerveux central composée essentiellement des corps cellulaires et de l’arbre dendritique des neurones ainsi que de certaines cellules gliales. Au microscope, la substance grise apparaît plus sombre que le reste du tissu nerveux, dit substance blanche, qui est essentiellement constitué des faisceaux de fibres axonales gainées de myéline, à la couleur blanchâtre.

Dans l’encéphale, la substance grise est située en périphérie, c’est-à-dire autour de la substance blanche. De ce fait, on dit que la substance grise définit un cortex (« écorce » en grec ancien). Ce cortex est formé d’un empilement de couches de cellules nerveuses (entre 3 et 6 pour le cortex cérébral et 3 pour le cortex cérébelleux) lesquelles se différencient par le type cytoarchitectonique, la densité cellulaire et la connectivité. Autour des ventricules cérébraux, la substance grise est agglutinée en amas cellulaires qui n’ont généralement pas l’organisation laminaire des cortex : ce sont les noyaux gris centraux (thalamus, ganglions de la base, etc.).

Au niveau du tronc cérébral, on retrouve aussi des noyaux de substance grise, notamment le tectum, le tegmentum, la substance grise périaqueducale ainsi qu’un certain nombre de noyaux des nerfs crâniens.

Au sein de la moelle épinière, la substance grise entoure le canal épendymaire et est donc circonscrite par la substance blanche en périphérie.

Substance blanche

La substance blanche est une catégorie de tissu du système nerveux central, principalement composé d’axones associés à des gaines de myéline ou non des neurones. Elle relie différentes aires de la substance grise où se situent les corps cellulaires des neurones. Elle constitue la partie interne du cerveau et la partie superficielle de la moelle épinière.

La substance blanche a en fait un aspect rosé à l’œil nu qui est principalement dû à la présence de capillaires sanguins. Ce n’est qu’après avoir été traité au formaldéhyde, pour la conservation, que ce tissu prend sa couleur blanche caractéristique.

Il existe une troisième teinte de tissu dans le cerveau, la substance noire qui est due à un fort taux de mélanine dans les neurones

UE 2.4 L’ORGANISATION D’UNE CELLULE EUCARYOTE

La cellule est l’unité fondamentale structurale et fonctionnelle des organismes vivants. Dans l’organisme humain, parmi les 10¹² cellules qui le constituent, on trouve environ 200 types de cellules aux formes, aux tailles et aux fonctions très diverses. Toutes les cellules ont, en commun, une organisation structurale de base et certaines fonctions.

Trois régions principales :

• Membrane plasmique
• Cytosol
• Noyau

La membrane plasmique

Organisation moléculaire

Les lipides membranaires

Les lipides retrouvés dans la membrane plasmique sont le cholestérol et le phospholipide. Ils sont regroupés en une double couche de phospholipide (hydrophobe et hydrophile), le cholestérol se lie aux acides gras. 10% des lipides associés au feuillet externe sont liés à des molécules de glucides : glycolipides.

Les protéines membranaires

Nous retrouvons les protéines intrinsèques (hydrophobe) et extrinsèques (hydrophile). Elles servent de transports de molécules de façon active ou passive.

La plupart des protéines en contact avec le milieu extérieur sont associées à des glucides (glycoprotéines). La membrane plasmique à une structure fluide : les molécules se déplacent au sein de chaque feuillet, plus rarement d’un feuillet à un autre. Les protéines sont « ancrées » aux filaments protéiques du cytosquelette ce qui stabilise la membrane plasmique.

Le glycocalyx

Ensemble des chaines glucidiques se trouvant en extracellulaire. A pour rôle d’être un marqueur cellulaire.  Lorsqu’une cellule devient cancéreuse, son glycocalyx subit des changements ce qui lui permet d’échapper aux mécanismes de reconnaissance du système immunitaire.

Fonction de la membrane plasmique

Echanges membranaires et mécanismes de transport

Les cellules baignent dans le liquide interstitiel contenant de nombreuses substances (dont acides aminés, oses, acides gras, vitamines, sels minéraux ainsi que des substances régulatrices comme les hormones). La cellule extraite de ce milieu les nutriments dont elle a besoin et y rejette certains produits de son activité et des déchets.

La membrane plasmique est donc le siège d’échanges incessant entre le cytoplasme et le milieu environnant. La membrane plasmique ne laisse passer vers le cytoplasme que certaines substances comme les nutriments tout en s’opposant à l’entrée de composés indésirables.

Simultanément, elle s’oppose à la sortie vers le milieu extracellulaire de substances qui lui sont indispensables, protéines cellulaires par exemple, et permet la sortie des déchets de son métabolisme. Lorsque la cellule est endommagée, elle est perméable à pratiquement toutes les substances. C’est la perméabilité sélective.

TRANSPORT	1	2	3	4
SENS DU GRADIENT DE CONCENTRATION	OUI			INVERSE
UTILISATION D’UNE PROTEINE DE TRANSPORT	NON	OUI	OUI	OUI
NOM DE LA PROTEINE DE TRANSPORT		Canal à protéines spécifiques	Protéines de transport spécifique	Pompe ATPase
BESOIN D’ENERGIE	NON	NON	NON	OUI (ATP)
NOM	Diffusion simple	Diffusion facilitée	Diffusion facilitée	Transport actif

 

Création d’un potentiel de repos membranaire

A l’état de repos, toutes les cellules présentent un potentiel de repos de la membrane. Un potentiel de repos membranaire est la différence de potentiel entre la face interne et celle externe de la membrane. L’origine de ce repos membranaire est due aux échanges d’ions et de cations.

Réceptions d’informations

Les récepteurs membranaires appartiennent aux groupes des glycoprotéines et des protéines intégrées. Leurs rôles sont de transmettre un signal :

• Chimique (Ions)
• Electrique (Neurotransmetteur)

Le cytoplasme

Regroupe l’ensemble des constituants situés à l’intérieur de la membrane plasmique et à l’extérieur du noyau.

La mitochondrie :

• Description : Entouré d’une double membrane externe et interne. La membrane interne forme des replis, les crêtes mitochondriales. Elle renferme son propre ADN et des ribosomes.
• Fonction : Lieu de la respiration cellulaire : ensemble des réactions d’oxydoréduction conduisant à la dégradation complète d’un métabolite en CO2 et H2O. Le fonctionnement de la chaine de transporteurs est couplé à la synthèse d’ATP

Le réticulum endoplasmique :

• Description : Forme un réseau de tubes membraneux interconnectés ou libres remplis de liquide et appelés « citernes ». Deux types de réticulum endoplasmique :
  • REG : réticulum endoplasmique granuleux dont la surface est tapissée de ribosomes. Lieu de la synthèse des protéines destinées à être secrétées ; à la membrane ; et des phospholipides
  • REL : réticulum endoplasmique lisse qui prolonge de REG. Possède les enzymes intervenant dans le métabolisme des lipides et du cholestérol ; la synthèse des hormones stéroïdes ; et la détoxication de certains médicaments et de drogues (abondant dans les cellules du foie et des reins)

Le ribosome :

• Description : Constitué de deux sous unités emboitées l’une dans l’autre. Composé d’ARN associé à des protéines. Certains ribosomes sont libres dans le cytoplasme, d’autre sont associés au RER.
• Les ribosomes participent à la synthèse des protéines

Le complexe golgien ou appareil de Golgi :

• Description : Constitué de sacs membraneux aplatis et empilés, entourés de vésicules golgiennes
• Site de modification des protéines destinées à l’exportation

Le lysosome :

• Description : Vésicules sphériques contenant des enzymes, les hydrolases acides intervenant dans la digestion cellulaire
• Particulièrement abondant dans les cellules phagocytaires. Assurent :
  • La digestion des particules ingérées
  • La dégradation des organites usés
  • La dégradation des tissus inutiles au cours du développement fœtal

Le peroxysome :

• Description : Vésicules sphériques contenant des enzymes, des oxydases qui neutralisent les substances nuisibles ou toxiques
• Particulièrement abondants dans les cellules du foie et des reins. Intervient dans la détoxification

Le centriole :

• Description : Un centriole est composé par un ensemble de 9 triplets de microtubules (filaments protéiques) disposés en cercle et formant un tube creux. Le centrosome est formé par une paire de centriole. Situé près du noyau de la cellule.
• Les centrioles interviennent dans la mise en place du fuseau mitotique lors de division cellulaire.

Le cytosquelette :

• Description : Réseau complexe de filaments protéiques de diamètre variable traversant tout le cytoplasme
• Intervient :
  • Dans le soutien des différentes structures cellulaires
  • Dans le mouvement des organites et des cellules

Les cils et flagelles :

• Description : Les cils sont des extensions de la surface cellulaire formées à partir de centrioles se disposant sous la membrane plasmique et émettant des prolongements, les microtubules qui « repoussent » la membrane plasmique. Les flagelles sont plus grands que les cils et propulsent la cellule
• Le mouvement synchrone des cils permet le déplacement de substance à la surface de la cellule

 

La synthèse d’une protéine est régit par plusieurs organites, dans le sens de la synthèse on retrouve : la membrane du réticulum endoplasmique, les ribosomes, une vésicule, le membrane de l’Appareil de Golgi, une vésicule puis subit l’exocytose. L’exocytose est la libération par fusion d’une vésicule avec la membrane plasmique d’une molécule (protéine).

 

Le noyau

Généralités

C’est le site stratégique de la cellule : il dirige le fonctionnement cellulaire. Généralement, il y a un noyau par cellule mais dans l’organisme il existe :

• Des cellules multinuclées : myocytes squelettiques
• Une seule cellule anucléée : hématies (érythrocyte, globules rouges)

Diamètre : environ 5 microns, à une forme généralement sphérique.

Structure – fonction

Région	Structure	Rôle
Enveloppe nucléaire	Double membrane (organisation comparable à celle de la membrane plasmique). Espace périnucléaire, entre les deux membranes, rempli de liquide. Présence de pores nucléaires.	Isoler l’ADN du cytoplasme, les pores laissent passer l’ARN.
Nucléole(s) 1 à 2 par cellule	Corpuscules non délimitées par une membrane constitués par des molécules d’ARN ribosomique et des protéines	Forment les ribosomes (chaque sous-unité).
Chromatine	Formée de nucléosomes constituées par une association de huit protéines globulaires, les histones autour de laquelle s’enroule l’ADN. Les nucléosomes sont séparés les uns des autres par des segments d’ADN intercalaire.	Support de l’information génétique.

UE 2.4 Biologie cellulaire et moléculaire

OBJECTIFS

• Identifier le vivant et ses caractéristiques
• Développer une vision intégrée du fonctionnement du corps humain permettant d’en déduire les effets de certaines perturbations sur l’équilibre interne, notamment les effets des rayonnements ionisants sur la cellule et les tissus.
• S’approprier des connaissances de base en biologie cellulaire et moléculaire et en génétique

ECTS : 1

ELEMENTS DU CONTENU

Les molécules constitutives du vivant et leur fonction dans les équilibres ou déséquilibres biologiques
Le cycle cellulaire, les différentiations cellulaires, les types et structures de cellules, la notion de tissus
La communication intercellulaire, les récepteurs et médiateurs.
La vie cellulaire et le fonctionnement des cellules excitables (nerveuses et musculaires)
Les bases moléculaires de l’organisation et de la protection du génome humain
Les bases essentielles de la notion d’hérédité
L’information génétique et sa conservation, la transmission de l’information génétique et la synthèse des protéines

MODALITE D’EVALUATION ECRITE

• Evaluation écrite des connaissances

CRITERES D’EVALUATION

• Exactitude des connaissances
• Clarté des explications
• Aptitude au raisonnement scientifique

UE 2.4 LES MOLECULES CONSTITUTIVES

Introduction

Eléments chimiques : ions (chargé + ou – en gagnant ou perdant un électron), atomes (électriquement neutre).

C, H, O, N sont les éléments chimiques principaux, représentant plus de 96% de la masse corporelle.

P, S, Cl, Na, K, Ca, Mg représentent environ 4 % de la masse corporelle, ils sont souvent sous forme ionique (en solution).

Fe, I, Co, Mn, Zn, F, Cu sont les oligo-éléments, présents en très faible quantité dans l’organisme, sont indispensables au bon fonctionnement des cellules. Servent aux enzymes pour leurs structures tridimensionnelles.

• Assemblage des atomes de ces différents éléments chimiques par l’intermédiaire de liaisons covalentes (mettent en commun les électrons sur leurs dernières couches d’électrons) essentiellement donnent une molécule.

Deux catégories de molécules :

• Composés organiques (composé obligatoirement de carbone au moins)
• Composés inorganiques ou minéraux (CO₂ et dérivés)

Le carbone a un rôle central, il est tétravalent (4 électrons sur sa couche externe), sa structure électronique lui permet de s’unir indéfiniment à lui-même pour former des chaines, des cycles. Il répond à la règle de l’octet (il doit être entouré de 8 électrons pour être le plus stable possible et se rapprocher du gaz rare le plus proche). Il créé des chaines linéaires, cycliques et ramifiées. Il s’unie à d’autre élément pour former des groupements chimiques.

Les alcools	Les aldéhydes	Les cétones	Les acides carboxyliques	Les amines
C-OH	H-C=O	R-C(=O)-R’	R-COOH	R-NH2
Se termine en ol	Se termine en al	Se termine par one	Se termine par oïque	Se termine par amine

Eau, substance la plus abondante des cellules

L’eau représente, à quelques exceptions près, la substance la plus répandue, la plus indispensable, la plus abondante de la matière vivante. Elle représente 60 à 80% du volume de la plupart des cellules vivantes.

Importance et répartition de l’eau dans l’organisme

Chez l’homme adulte l’eau représente 60% de la masse corporelle.

Pour un homme de 70kg :

Cette eau n’est pas répartie uniformément dans le corps, certains organes en contiennent plus que d’autres.

Tissu osseux : 20 à 30%	Cerveau : 80%	Foie : 70%
Sang : 80%	Tissu musculaire : 76%	Tissu adipeux : 10%

 

L’eau est indispensable à la vie :

• Une perte de l’ordre de 10% entraine une grande fatigabilité
• Une perte de 20% entraine la mort

Chaque jour, le corps humain élimine 2.4L d’eau à travers la respiration, la sueur, l’urine… il faut donc remplacer ce volume d’eau par la boisson et l’alimentation pour éviter la déshydratation. L’homme adulte à un besoin en eau de l’ordre de 35g/jour/kg de poids corporel.

On peut représenter la répartition de l’eau dans l’organisme en « secteur hydrique ».

Dans le corps humain il y a différents secteurs hydriques :

• Le liquide intracellulaire : l’eau est retrouvée dans les cellules (cytoplasme)
• Milieu extérieur : L’eau est dans la matrice extracellulaire = lymphe interstitielle (créé par le plasma qui s’échappe des vaisseaux mais sans les protéines)

La lymphe est récupérée constamment par les vaisseaux lymphatiques. Il y a donc une autre sorte de lymphe : la lymphe canalisée.

Il y a aussi le plasma qui se trouve dans les vaisseaux sanguins.

Eau, molécule polaire

La molécule d’eau est une molécule triatomique. Chaque atome est lié à l’atome d’oxygène par une liaison covalente.

Molécule polaire : Electriquement neutre. Molécule qui fait apparaitre des charges partielle (Delta – et Delta +), et pour avoir une molécule polaire il faut au moins un atome électronégatif.

Ex : L’oxygène est électronégatif (attire les électrons vers lui).

Liaison hydrogène

Lorsque deux molécules d’eau sont très proches l’une de l’autre, elles vont établir entre elles des interactions appelés liaisons hydrogènes.  La formation d’une liaison hydrogène est la conséquence du caractère polaire de la molécule d’eau. Ce sont des liaisons faibles, car il y a seulement mis en jeu d’interaction électrostatique et donc pas de mise en commun d’électrons.

Liaison hydrogène : il faut un atome d’hydrogène lié de manière covalente à un atome électronégatif, et un atome très électronégatif située à proximité.

Caractéristiques de la liaison h :

• Liaison pratiquement linéaire
• Longueur : 250 à 300 pm
• Energie de la liaison : 8 à 34kJ/mol.
• Position non permanente : se fait et se défait très facilement
• Peut-être intramoléculaire et le plus souvent intermoléculaire

Rôles de l’eau dans l’organisme

L’eau dans la matière vivante exerce des rôles très nombreux :

• Phénomènes de régulation thermique
• Solubilisation, l’ionisation de certains composés hydrosolubles : c’est un solvant
• S’associent aux macromolécules hydrophiles et forment autour d’elles des couches d’hydratation
• Milieu de transport (plasma, lymphe)
• Echange entre les cellules (milieu interstitiel)
• Participe à de très nombreuses réactions dans la cellule :

Hydrolyse : coupe des liaisons covalentes

Condensation : inverse d’une hydrolyse

Acido-basique : acide (libère un H+), base (gagne un H+) : A-H + H₂O à A^– + H₃O⁺

Réaction d’oxydoréduction : transfert seulement d’électrons

 

Autre molécule polaire : Glucose : C₆H₁₂O_6, c’est une molécule polaire (du fait qu’il y ai beaucoup d’oxygène dedans).

Ions et sels minéraux

Ions : atome qui a perdu ou gagné un électron (Na⁺)

Sels minéraux : association d’anions et de cations (NaCl)

Certains sels minéraux sont à l’état solide, non ionisés, ils constituent une réserve. Ils sont en équilibre avec leurs ions en solution.

Les os sont des réserves de calcium. Il y a formation de sels de calcium + phosphore qui créé des sels solide (hydroxyapatite).

Na⁺ et K⁺ servent dans l’influx nerveux :  génère le potentiel d’action

Ca²⁺sert à l’exocytose dans les synapses du neurotransmetteur ou pour la contraction musculaire, et enfin pour la coagulation sanguine (enzyme activée par le calcium)

Les biomolécules

L’eau mise à part, la presque totalité des molécules d’une cellule est formée par des molécules carbonées constituant des biomolécules : glucides, lipides, protides, acides nucléiques.

Parmi les biomolécules, on trouve dans les cellules, de petites molécules organiques qui peuvent contenir jusqu’à 30 atomes de carbone. Ce sont :

• Les oses
• Les acides aminés
• Les acides gras
• Les nucléotides

Ces petites molécules organiques sont généralement libres dans le cytoplasme : monomère. Elles forment un groupe d’intermédiaires : précurseurs à partir desquels sont édifiées des macromolécules ou polymères.

Protides : protéines, peptide, acides aminés, acides nucléiques.

Monomère (précurseur)	Macromolécules (polymères)
Oses	Polyosides ou polysaccharides
Acides aminés	Peptides ou protéines
Nucléotides	Acides nucléiques (ADN ou ARN)

Les glucides

Représentent 1 à 2% de la masse cellulaire. On classe ces composés d’après des critères de réactions à l’hydrolyse et de taille :

Oses : glucides simples, non hydrolysable, molécules de 3 à 7 atomes de C. Monomère des osides.

Osides : résultent de l’association d’un nombre variable d’oses par des liaisons osidiques. Ils sont donc hydrolysables. Peuvent contenir éventuellement une partie non glucidique.

Holosides : formés exclusivement d’oses

• Oligoholosides : formés de 2 à 10 molécules d’oses.
• Polyholosides : formés de plus de 10 molécules d’oses.

Hétérosides : ose(s) associé(s) à une partie non glucidique

Les oses les plus important dans le corps humain sont des :

• Pentoses : le désoxyribose présent dans l’ADN et le ribose présent dans l’ARN
• Hexoses : le glucose présent dans le sang

Les oses

On le définit par rapport à sa structure. On les appelle « hydrate de carbone ».  C_nH_2nO_n.

Chaine carbonée constitué de fonction hydroxyle avec ou une fonction aldéhyde (en bout de chaine) ou une fonction cétone (dans la chaine).

Le glucose et le fructose sont deux isomères (même structure brute).

Pour numéroter : le 1 est donné au carbone le plus oxydé (attaché au plus d’oxygène et à moins d’hydrogène).

La forme cyclique = forme d’Haworth.

Dans la cyclisation d’un ose, on perd la fonction aldéhyde.

Lorsque le OH formé en C1 va vers le bas c’est appelé α, inverse pour β.

Lorsque la dernière fonction OH est à droite c’est appelé D, inverse pour L.

Les osides

Ils résultent  de l’union d’un certain nombre de molécules d’oses par des liaisons osidiques avec éventuellement une partie non glucidique.

Pont entre deux oses : pont osidique.

Β-D-Galactose + α-D-Glucose à Lactose

Glucose + Fructose à Saccharose

Glucose + Glucose à Maltose

Polyosides

Ce sont des polymères résultant de la condensation d’un grand nombre de molécules du même ose ou d’un grand nombre de molécules de divers types d’oses.

Ex : amidon :

• Monomère : glucose
• Liaisons osidiques : alpha (1 :4) et alpha (1 :6)

Ex : glycogène :

• Monomère : glucose
• Liaison osidiques : béta (1 :4) et béta (1 :6)

Fonctions des glucides

Source d’énergie : dans l’organisme, les glucides sont avant tout des combustibles que les cellules peuvent obtenir et utiliser rapidement. Le glucose est une source d’énergie immédiatement utilisable. Le glycogène est une réserve énergétique.

Le glucose va être dégradé (découpé) par la cellule pour libérer de l’ATP (Adénosine triphosphate).

La réaction principale pour dégrader le glucose est la glycolyse : Glucose à pyruvate + ATP

Ensuite le pyruvate est dégradé dans la mitochondrie si la cellule a assez de dioxygène. Sinon en anaérobie le pyruvate est dégradé en lactate à l’aide de la fermentation dans le cytoplasme.

Il y a alors le cycle de KREBS qui est démarré.

Les protides

Le terme « protéine » vient du grec « protos » qui signifie fondamentalement, d’importance capitale. Les protéines interviennent dans la structure et différents aspects du fonctionnement de la cellule. Elles sont toute constituées par un assemblage de molécules de base, les acides aminés, liés les uns aux autres par des liaisons peptidiques.

Les acides aminés

Dans pratiquement tous les acides aminés naturels, les groupes amine et le carboxyle sont portés par le même C : on parle de 2-amino-acide ou acide alpha aminé dans la notation des chaînes carbonées par l’alphabet grec.

La chaine latérale, R, est caractéristique de chaque acide aminé.

Il existe environ 20 acides aminés différents qui entrent dans la composition des peptides et des protéines.

Liaison peptidique

La liaison peptidique correspond au mode d’enchainement des acides alpha-aminés dans les peptides et les protéines.

Les peptides

Ce sont des composés naturels ou synthétiques résultant de l’enchainement d’un nombre limité d’acides aminés (2 à 50) par des liaisons peptidiques. On distingue en général :

• Les oligopeptides formés par un petit nombre d’acides aminés
• Les polypeptides formés d’un plus grand nombre d’acides aminés (jusqu’à environ 50 acides aminés)
• Les différents niveaux de structure des peptides et des protéines

Structure primaire : l’ordre dans lequel s’enchaine les acides aminés par l’intermédiaire de liaison peptidique.

Structure secondaire : hélice alpha ou feuillet béta. Repliement stabilisé par des liaisons faibles hydrogènes.

Structure tertiaire : organisation spatiale de la molécule c’est-à-dire la façon dont la chaine polypeptidique se replie dans l’espace. Elle résulte de liaisons qui s’établissent entre acides aminés éloignés dans la structure primaire.

Structure quaternaire : correspond à l’association spécifique de plusieurs chaines polypeptidiques appelées sous unités en un super édifice seul capable d’assurer les fonctions biologiques. Les sous unités peuvent être identiques ou différentes. L’assemblage des sous unités se fait par des liaisons faibles.

Fonctions des protéines

Les protéines exercent de très nombreuses fonctions.

• Transport : hémoglobine, transferrine
• Défense : anticorps, immunoglobulines
• Hormonales : hormones peptidiques : ADH, GH, Insuline, Glucagon
• Structure : collagène, kératine
• Contractiles : myosine, actine
• Enzymatiques : hydrolases

Les lipides

Les lipides représentent 10 à 15% du poids sec d’une cellule. Ils constituent un groupe très hétérogène de constituants essentiels de la matière vivante.

Lipides vrais : résultats de la liaison d’un alcool avec un ou plusieurs molécules d’acide gras.

• Lipides simples : composés ternaires contenant C, H, O. Ex : Triacylglycérols.
• Lipides complexes : contenant en plus du C, H, O, du P, N, S. Ex : Phospholipides.

Composés à caractères lipidiques : ne contiennent pas d’acides gras. Ils sont apparentés aux lipides par leur critère de solubilité.

Constituants des lipides vrais

Les acides gras : ce sont des acides carboxyliques (R-COOH) dans le radical R est une chaine hydrocarbonée plus ou moins longue qui confère à la molécule son caractère hydrophobe. La majorité des acides gras naturels présentent des caractères communs :

• Ils sont monocarboxyliques
• La chaine hydrocarbonée est linéaire et à nombre pair d’atomes de C
• La chaine hydrocarbonée est saturée ou en partie insaturée

Fonctions des lipides

Ils présentent des structures très cariées et vont par conséquent, assurer des fonctions biologiques très diverses.

Ils constituent une source de combustibles pour les cellules via les réactions d’oxydation. Les triacylglycérols sont essentiellement stockés dans les cellules adipeuses. Afin de couvrir les besoins énergétiques, les triacylglycérols seront dégradés en acides gras et glycérol. C’est la lipolyse.

Les acides gras, sont oxydés et fournissent de l’acétyl-coenzyme A : c’est la B-oxydation. Les molécules d’acétyl-coenzyme A entrent dans le cycle de Krebs. Ils jouent un rôle structural comme constituants des membranes biologiques. Ils peuvent assurer un rôle de protection ou d’isolant. Certains lipides sont des molécules douées d’activités biologiques.

Les acides nucléiques

Ils représentent 10 à 20% de la masse sèche d’une cellule. Ce sont les molécules les plus volumineuses du monde vivant. Les acides nucléiques sont des polymères qui se caractérisent par une structure primaire correspondant à l’enchainement de nucléotides et un agencement spatial.

Les molécules constitutives

Pentose : diffère selon la catégorie d’acides nucléiques :

• Dans l’ARN : B-D-Ribofuranose ou B-D-Ribose
• Dans l’ADN : 2-désoxy-B-D-Ribofuranose ou B-D-Désoxyribose

Acide phosphorique : au pH cellulaire, l’acide phosphorique est ionisé et se trouve sous forme d’ion hydrogénophophate.

Base azotée : cinq bases azotées majeures entrent dans la composition des acides nucléiques : ce sont des dérivés d’hétérocycles azotés à caractère basique répartis en deux séries :

• Les bases pyrimidiques : dérivant d’un hétérocycle azoté à quatre atomes de C et deux atomes d’azote, la pyrimidine.
  • Dans l’ADN : Cytosine – Thymine
  • Dans l’ARN : Cytosine – Uracile
• Les bases puriques : dérivant de la condensation de deux hétérocycles azotés, la purine
  • Adénine – Guanine
• Les nucléosides

Résultent de l’association entre un pentose et une base azotée par l’intermédiaire d’une liaison osidique.

Les nucléotides

Ce sont des esters phosphates des nucléosides.

Les nucléotides polyphosphates sont des composés à haut potentiel énergétique : l’hydrolyse des liaisons anhydre d’acide ont dans les conditions cellulaires libère environ 30kJ/mol. L’ATP est une forme de réserve temporaire et source d’énergie utilisable par la cellule.

La polymérisation nucléotidique

L’enchainement des nucléotides se fait par l’intermédiaire de liaison de type ester : l’hydroxyle situé en 3’ d’un nucléoside mono phosphate est estérifié par le phosphate situé en 5’ du nucléotide suivant.

L’ARN

Les ARN sont des polymères de nucléosides 5’-monophosphates. Dans les ARN, le nombre de nucléotides va de plusieurs dizaines à plusieurs milliers.

Dans les cellules eucaryotes, les molécules d’ARN sont de simples brins de nucléotides même si l’appariement des bases peut se faire sur des longueurs variables. Il existe trois principaux types d’ARN :

• ARN messager
• ARN de transfert
• ARN ribosomique

L’ADN

Les quatre types de desoxyribonucléotides (dAMP, dCMP, dTMP, dGMP) sont associés pour former de longues chaînes de plusieurs milliers à plusieurs dizaine de milliers de désoxyribonucléotides.

Importance relative de chaque type de désoxyribonucléotides dans les ADN : quelle que soit l’origine cellulaire de l’ADN, on retrouve toujours les égalités suivantes :

La somme des bases puriques est égale à la somme des bases pyrimidiques : A + G = C + T.

En effet dans la molécule d’ADN on trouve : A = T et C = G.

Conformation tridimensionnelle des ADN : James Watson propose une explication à cette stœchiométrie des bases azotées : il existe des appariements entre les bases puriques et pyrimidiques situées en vis-à-vis sur les deux chaines par l’intermédiaire de liaisons H.

Francis Crick compris, grâce aux techniques de cristallographie, que l’ADN est constitué de deux chaines polynucléotidiques appariées l’une à l’autre en une structure hélicoïdale régulière.

• Les deux chaines sont complémentaires
• Les deux chaines sont orientées dans des directions opposées : elles sont dites antiparallèles
• Les deux chaines polynucléotidiques s’enroulent une double hélice droite
• Les plans des paires de bases de l’hélice sont perpendiculaires à l’axe de l’hélice