L'intégrale. Diplôme IFSI en 6 semestres

Nous vous invitons à découvrir la fiche 12 Cellule, dans la partie Semestre 1, UE2.1.

L'UE 2.1  Biologie fondamentale comporte 6 fiches :

• Fiche 11 Éléments

• Fiche 12 Cellule

• Fiche 13 Nutriments

• Fiche 14 Bases moléculaires de l'organisation du génome humain

• Fiche 15 Bases essentielles de la notion d'hérédité

• Fiche 16 L'information génétique et sa conservation…

Fiche 12

Cellule

Généralités

• L'organisme est composé de plusieurs milliards de cellules. La cellule est l'unité de base d'un organisme vivant : elle a la capacité de se reproduire, d'échanger de la matière, de l'énergie et des informations avec le milieu qui l'entoure.

• Les cellules humaines peuvent avoir des formes très différentes et des dimensions allant de 2 à 30 micromètres environ (1 micromètre : 1 millième de millimètre).

Structure et organisation d'une cellule

• La cellule est séparée du milieu extracellulaire par une membrane fermée appelée membrane plasmique. Cette membrane permet de contrôler les échanges entre le milieu intracellulaire (le cytoplasme) et le milieu extracellulaire.

Membrane

• La membrane plasmique est constituée de lipides  : incapables de se lier à l'eau (hydrophobes). En conséquence, les molécules hydrophiles (solubles dans l'eau) ne peuvent pas traverser cette membrane, à moins d'utiliser des canaux protéiques (pores) plus ou moins spécifiques.

• Ces canaux sont des protéines, qui traversent complètement l'épaisseur de la membrane. Leur perméabilité est sélective et peut être contrôlée. Par exemple, le glucose, apporté aux cellules de l'organisme par voie sanguine, entrera plus ou moins facilement dans les cellules, en fonction du taux d'insuline (hormone) circulante : l'insuline contribue de cette manière à faire baisser le taux de sucre dans le sang.

Cytoplasme

• À l'intérieur de la cellule, le cytoplasme est un milieu aqueux, plus ou moins gélatineux.

• Le cytoplasme est structuré par des fibres  : le cytosquelette (squelette cellulaire) qui maintient la forme de la cellule et joue un rôle particulier lors de la division cellulaire. Les fibres du cytosquelette sont appelées microtubules.

• Dans le cytoplasme, des compartiments sont délimités par 1 ou 2  membranes, de structure identique à celle de la membrane plasmique. Ces compartiments correspondent à des fonctions particulières de la cellule et collaborent entre eux dans le fonctionnement général.

• Le réticulum endoplasmique granuleux (présence des ribosomes) ainsi que l'appareil de Golgi sont les compartiments dans lesquels s'effectue la synthèse des protéines : une fois synthétisées, celles-ci peuvent rester dans le cytoplasme, si elles sont utiles à la cellule, ou être exportées grâce à de petites vésicules venant fusionner avec la membrane plasmique.

• Le réticulum endoplasmique lisse est le lieu du métabolisme des lipides.

• Les mitochondries constituent le lieu des transformations énergétiques : c'est là que l'énergie chimique contenue dans les molécules (nutriments) est convertie en une forme d'énergie utilisable par la cellule : l'adénosine triphosphate (ATP).

• Les lysosomes sont les agents de la défense cellulaire et de la phagocytose. Ils contiennent des enzymes impliquées dans la dégradation des éléments phagocytés

Noyau

• Le noyau est séparé du reste du cytoplasme par une double membrane. Il contient l'information génétique de la cellule, sous forme de molécules d'acide désoxyribonucléique (ADN) associé à des protéines. Les chromosomes ne sont visibles qu'à certaines phases du cycle cellulaire, mais l'ADN est toujours enroulé dans la chromatine.

• L'ADN ne quitte pas le noyau, mais une copie provisoire (l'acide ribonucléique [ARN]) d'une courte région de l'ADN rejoint le cytoplasme en passant par les pores de l'enveloppe nucléaire et sert de modèle pour la synthèse des protéines dans le cytoplasme.

Physiologie

• Dans l'organisme, les cellules sont assemblées pour former des tissus (épithélium, conjonctif, tissu musculaire, tissu nerveux), eux-mêmes regroupés dans les organes (foie, pancréas, cerveau, muscle, peau, etc.).

• Chaque cellule reçoit des signaux modulant son activité, ce qui permet d'avoir un fonctionnement coordonné des organes entre eux.

Multiplication cellulaire

• Les cellules de l'organisme peuvent se multiplier, même une fois que l'organisme a terminé sa croissance (remplacement des cellules vieillies, renouvellement tissulaire).

• Le rythme de division est très variable selon le type cellulaire : très rapide pour des cellules de moelle osseuse ou des cellules de l'épithélium intestinal, plus lent, voire nul pour des neurones.

• Les cellules se divisent par mitose : reproduction conforme, permettant d'aboutir à 2 cellules filles identiques entre elles, contenant la même information génétique : chaque cellule contient 46 chromosomes (23 paires). En début de mitose, chaque chromosome est constitué de 2 chromatides identiques. Au cours de la mitose, les 2 chromatides de chaque chromosome se séparent : chaque cellule fille reçoit un lot de 46 chromosomes, chacun comportant 1 chromatide. La réplication de l'ADN permet, après la mitose (pendant l'interphase), de former la seconde chromatide pour chaque chromosome.

• Le cycle cellulaire correspond à la vie d'une cellule  : entre sa « naissance » par division et sa propre division en 2  cellules. Ce cycle comprend plusieurs étapes : pendant l'interphase, la cellule croît et prépare sa division. La phase M (mitose + cytocinèse : division du cytoplasme) est la phase la plus courte du cycle;

Mitose

• La vitesse du cycle cellulaire est régulée par un ensemble de molécules-signaux présent dans le cytoplasme des cellules.

• Des facteurs de croissance (facteurs mitogènes) stimulent les divisions cellulaires.

• Au cours du cycle cellulaire, si une anomalie est détectée (réplication de l'ADN non conforme, mauvaise répartition des chromatides entre les cellules-filles, cellule trop petite, etc.), le cycle cellulaire est bloqué. Des mécanismes de réparation sont parfois efficaces, sinon la cellule entre dans un processus particulier appelé apoptose : mort cellulaire «programmée».

Le cycle cellulaire peut subir des dérèglements

• C'est le cas avec les cellules tumorales (responsables des cancers)  : les mécanismes de contrôle du cycle sont défaillants et les signaux qui commandent en principe l'arrêt de la croissance ne sont plus efficaces. Ces cellules n'ont même plus besoin des facteurs de croissance externes pour se multiplier : elles se divisent de manière excessive et anarchique au détriment d'organes. Les métastases sont dues à des cellules très invasives, qui se propagent, envahissent les tissus voisins et parviennent à atteindre d'autres parties du corps via la circulation sanguine ou lymphatique.

• Les cellules qui vont donner naissance aux gamètes (cellules sexuelles : ovule chez la femme, spermatozoïde chez l'homme) subissent une division très particulière : la méiose.

Différenciation cellulaire

• Toutes les cellules d'un organisme contiennent le même ADN. Pourtant, les cellules de différents organes ont un aspect et des fonctions très variables  : à partir d'un patrimoine génétique unique, chacune a exprimé un nombre restreint de gènes. Chaque cellule n'utilise qu'une partie de son patrimoine génétique et fabrique les protéines dont elle a besoin : c'est la différenciation cellulaire.

• Cette différenciation est commandée par un ensemble de signaux intra- et extracellulaires.

Transports membranaires

Transport passif

Suivant le gradient de concentration, conformément au mécanisme décrit ci-dessus.

Un autre mécanisme de transport, consommant de l'énergie cette fois et appelé «transport actif», permet de transporter des substances en allant contre leur gradient de concentration.

Un exemple de transport actif

Les cellules nerveuses et musculaires transportent activement des ions Na⁺ et K⁺, de manière à établir et maintenir un gradient de concentration de ces ions.

Cela entraîne une différence de charges électriques de part et d'autre de la membrane et permet à des phénomènes électriques de se réaliser (c'est la base de la transmission nerveuse de l'information).

Ces transports actifs sont réalisés par des protéines membranaires fonctionnant comme des pompes  Na⁺/K⁺ et utilisant l'énergie chimique (ATP).

Échanges cellulaires

Dans un organisme pluricellulaire, le milieu qui entoure les cellules est appelé milieu extracellulaire. Le milieu extracellulaire baigne toutes les cellules de l'organisme et est en continuité avec le sang. C'est un milieu aqueux, dans lequel des substances sont présentes. Les échanges entre la cellule et son milieu dépendent des concentrations en substances de part et d'autre de la membrane cellulaire. Le milieu extracellulaire apporte à chaque cellule des substances nécessaires à son fonctionnement (nutriments, oxygène, etc.), mais aussi des informations sous forme de signaux : hormones, facteurs de croissance, facteurs de division cellulaire, etc.

Échanges de substances, métabolisme cellulaire

• Même dans un état de repos apparent de l'organisme, chaque cellule a besoin d'énergie en permanence (pour maintenir température corporelle, pour synthétiser de nouvelles molécules, pour effectuer des transports de molécules ou d'ions, etc.). Il s'agit du «métabolisme de base».

• Pour les cellules humaines, une seule forme d'énergie est utilisable directement  : c'est l'énergie chimique, contenue dans des liaisons covalentes qui sont dites « riches en énergie ». Autrement dit, lorsque ces liaisons sont coupées (par hydrolyse en présence d'eau), leur hydrolyse libère une quantité importante d'énergie.

• Une molécule principale joue ce rôle, c'est l'ATP.

• Pour l'homme, l'énergie nécessaire au fonctionnement du corps est fournie par le biais des aliments. Dans ces aliments, l'énergie est aussi présente sous forme chimique, mais pas sous forme d'ATP. Les cellules vont donc devoir transformer l'énergie chimique des aliments en une forme d'énergie utilisable directement, c'est-à-dire en ATP.

  • Dans un premier temps, les molécules contenues dans les aliments doivent être simplifiées chimiquement, pour pouvoir passer dans la circulation sanguine.

  • Les nutriments, c'est-à-dire les molécules simples obtenues grâce à la digestion, parviennent ensuite aux cellules pour y être utilisées. Exemple de nutriment : le glucose.

  • Ces nutriments sont progressivement oxydés, en présence d'oxygène et dans un processus qui comporte de nombreuses étapes, pour conduire à du dioxyde de carbone  (CO₂) et de l'eau (H₂ O).

Ces réactions s'effectuent notamment dans les mitochondries des cellules. Certaines étapes de ce métabolisme permettent d'obtenir de l'ATP, grâce à la chaîne respiratoire des mitochondries

Pour le glucose, le bilan peut s'écrire  : C₆ H₁₂0₆ +  6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂ O, avec libération de 38  molécules d'ATP par molécule de glucose. (Deux ATP sur les 38 sont consommées par le processus.)

• L'ATP ne peut pas être mise en réserve : les réserves sont constituées sous forme de glycogène ou de graisses et permettront une production d'ATP rapide et importante, lors d'un effort musculaire par exemple.

• Le rendement de cette transformation n'est que de 40  % en moyenne  : le reste de l'énergie est dissipé sous forme de chaleur, ce qui permet à l'organisme de conserver une température proche de 37 °C.

Échanges d'informations

• Chaque cellule reste en relation permanente avec le reste de l'organisme : elle reçoit différents types d'informations et peut elle-même transmettre des informations d'une autre nature. Les communications dans l'organisme sont de deux types : nerveuse ou hormonale.

• * La communication hormonale utilise comme message une molécule signal (appelée hormone). Celle-ci est véhiculée par le sang et agit sur des cellules cibles. Chaque cellule reçoit donc des informations sous forme d'hormones (ou, de façon analogue, des molécules informatives véhiculées sur des distances plus courtes et qui circulent dans le liquide extracellulaire seulement).

• Les molécules informatives peuvent être de différentes natures chimiques.

  • Certaines sont hydrophiles (polaires)  : elles ne peuvent donc pas traverser la membrane plasmique et agissent sur un récepteur membranaire. C'est celui-ci qui transmet l'information et permet la traduction en une réponse cellulaire : activation d'une enzyme.

  • Par exemple, l'acétylcholine provoque la contraction du muscle, l'insuline (hormone hypoglycémiante) provoque le stockage des graisses dans le tissu adipeux.

  • D'autres molécules informatives sont de nature lipophile (hydrophobe) et peuvent donc plus facilement traverser la membrane plasmique : elles agissent sur un récepteur intracellulaire, par exemple en modifiant l'activité de l'ADN : un gène qui restait «silencieux» va alors être traduit en protéine.

  • Par exemple, les hormones sexuelles (testostérone chez l'homme, œstrogènes et progestérone chez la femme) induisent la synthèse de protéines qui permettent la formation des gamètes (ovules et spermatozoïdes) et donnent les caractères sexuels secondaires.

  • Chaque cellule est soumise en permanence à des signaux régulant son activité : signaux de prolifération, signaux entraînant la mort cellulaire, signaux modifiant l'activité de la cellule, etc.

Ouvrage coordonné par Pascal Hallouët Formateur en soins infirmiers, IFPS du centre hospitalier de Bretagne-Sud, Lorient