Cytologie : Structure et fonctions de la cellule

Image : « Cellule souche » par
PublicDomainPictures. Licence : Domaine public

Définition d’une cellule

La cellule en tant qu’unité d’organisation biologique est le plus petit élément de base de tous les organismes. Elle est autonome et remplit des fonctions essentielles de base dans le métabolisme, la croissance, le mouvement, la reproduction et l’hérédité.

Cellules eucaryotes et procaryotes en comparaison

Les cellules eucaryotes ont une taille de 10 à 100 µm et possèdent un noyau qui contient l’ADN de plusieurs chromosomes. En plus des exons (ADN codant), l’ADN comprend de nombreux introns (gènes non codants) qui sont supprimés par des processus tels que l’épissage, par la biosynthèse des protéines.

Le cytoplasme est fortement compartimenté et est riche en organites cellulaires. Les ribosomes ont une masse moléculaire de 80S pour les sous-unités 60S et 40S (quantité de masse comme constante de centrifugation de Svedberg). La chaîne respiratoire se déroule dans les mitochondries. Les exemples d’eucaryotes sont les champignons et les cellules animales (des cellules de ver aux cellules humaines).

Une cellule procaryote, cependant, a une taille de seulement 1-10 µm et contient un équivalent de noyau (nucléoïde) au lieu d’un noyau. Cette molécule d’une grande densité, semblable à un noyau, est située dans le cytoplasme et comprend l’ADN, qui ne comporte qu’un seul chromosome et aucun intron.

En outre, un plasmide peut être présent (ADN circulaire, extrachromosomique), qui joue un rôle particulier dans le développement de bactéries résistantes aux antibiotiques. Le cytoplasme est moins compartimenté et la chaîne respiratoire est spécifiquement située dans la membrane du cytoplasme.

Alors que les mitochondries, l’appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique font défaut, les ribosomes ont une masse moléculaire de 70S pour les sous-unités 50S et 30S. Les bactéries comme Escherichia coli appartiennent au groupe des procaryotes.

Ces différences sont des sujets d’examen courants en biologie et en biochimie.

Structure et fonction de la membrane cellulaire

La membrane cellulaire, également appelée plasmalemme, entoure le cytoplasme et sert de délimitation entre les espaces intra et extracellulaires. Elle est composée d’une bicouche phospholipidique, les parties hydrophiles des phospholipides étant dirigées vers l’espace intra- et extracellulaire. Les parties hydrophobes sont situées au centre de la membrane.

Image : Bicouche de phospholipides. Par philschatz, Licence : CC BY 4.0

Le glycocalyx périphérique est constitué de chaînes de sucre (polysaccharides) qui sont liées de manière covalente aux protéines membranaires (glycoprotéines) et aux lipides membranaires (glycolipides). Le glycocalyx est individuel et spécifique au type de cellule, cela signifie par exemple qu’il détermine les caractéristiques du groupe sanguin des érythrocytes.

Facilité par sa fluidité, la membrane cellulaire est stable et flexible à la fois. Sa fluidité peut changer en fonction de la température et de la composition lipidique. La membrane est semi-perméable (on parle aussi de perméabilité sélective), c’est-à-dire qu’elle est perméable aux substances de petites molécules comme l’eau, qui sont capables de diffuser de manière osmotique. Les substances de plus haut poids moléculaire, comme les protéines, ont besoin de systèmes de transport spécifiques pour traverser la membrane cellulaire.

La fonctionnalité de la membrane cellulaire est déterminée de manière décisive par ses protéines membranaires, qui comprennent : les canaux ioniques, les molécules d’adhésion cellulaire, les aquaporines, les pompes membranaires, les protéines transporteuses et les protéines réceptrices.

Image : Membrane cellulaire. Par philschatz, Licence : CC BY 2.0

Structure et fonction du noyau

Le noyau de la cellule (noyau) contient de l’ADN, emballé dans des chromosomes, et peut varier en taille et en structure selon son activité. Le caryoplasme est séparé du cytoplasme par la membrane nucléaire poreuse, le caryolemme.

La membrane nucléaire est constituée d’une membrane nucléaire externe et interne et de l’espace intermédiaire, qui est la citerne périnucléaire. La membrane nucléaire externe se confond avec le réticulum endoplasmique et est occupée par les ribosomes. La membrane nucléaire interne se trouve à l’intérieur de la lamina nucléaire feutrée (lamina nuclearis) qui est formée par une couche de filaments intermédiaires d’une taille de 30 à 100 nm.

Environ 1000-4000 pores nucléaires assurent l’échange de substances entre le cytoplasme et le caryoplasme, où les molécules <5 kDa diffusent librement et les molécules plus grosses, comme celles des protéines, passent par le biais de la liaison des récepteurs.

Le noyau contient une petite nucléole sphérique (nucléole), d’où provient l’ARN ribosomal. La transcription, préalable à la traduction, et la réplication, préalable à la mitose, sont également contrôlées par le noyau.

Image : Le noyau. Par philschatz, Licence : CC BY 4.0

Fonctions du cytoplasme

Le cytoplasme, également appelé cytosol, est limité par la membrane cellulaire et représente la matrice fluide de chaque cellule. Le cytosquelette, les organites cellulaires et les inclusions cellulaires sont intégrés dans le cytoplasme.

Dans le cytoplasme, la biosynthèse des protéines, les courants ioniques, ainsi que le transport des vésicules, ont lieu autour de l’appareil de Golgi, du réticulum endoplasmique et de la membrane cellulaire. Il constitue environ 50% du volume de la cellule et a un pH de 7,2.

Classification des organites cellulaires

Les organites cellulaires sont enchâssés dans le cytoplasme et sont divisés en :

• Organes restreints à la membrane (réticulum endoplasmique rugueux et lisse, appareil de Golgi, mitochondries, lysosomes, peroxysomes)
• Organes non restreints à la membrane tels que les ribosomes ou les centrioles

Structure et fonction des organites cellulaires individuels

Image : Cellule humaine prototypique. Par philschatz, Licence : CC BY 4.0

Réticulum endoplasmique (RE)

Le réticulum endoplasmique désigne un système membranaire tubulaire. Le réticulum endoplasmique rugueux est occupé par les ribosomes et facilite la biosynthèse des protéines des endosomes, des protéines transmembranaires ou des granules sécrétoires. Le réticulum endoplasmique lisse n’est pas occupé par des ribosomes et a les diverses fonctions suivantes :

• Magasin et régulation des ions calcium dans le cytoplasme des cellules musculaires striées (appelé ici réticulum sarcoplasmique)
• Synthèse des hormones lipidiques et stéroïdiennes
• Détoxification des substances endogènes et étrangères au sein des hépatocytes

Image : Réticulum endoplasmique (RE). Par philschatz, Licence : CC BY 4.0

Appareil de Golgi

L’appareil de Golgi est composé de dictyosomes (un empilement de 4 à 10 cavités en forme de disque enveloppées de membrane) et possède une région cis convexe et une région trans concave qui se font face. Les protéines produites dans le réticulum endoplasmique rugueux, atteignent le cis-Golgi au moyen de vésicules de transport, après quoi elles sont ensuite modifiées et traitées (phosphorylation, sulfatation, glycosylation) au sein de l’appareil de Golgi et triées en fonction de leur destination.

Au niveau du site trans, le conditionnement en granules ou vésicules sécrétoires a lieu. Un transport rétrograde (trans vers cis) peut être détecté pour les enzymes qui sont requises dans le réticulum endoplasmique.

Image : Appareil de Golgi. Par philschatz, Licence : CC BY 4.0

Mitochondries

Ces « centrales électriques » de la cellule fournissent de l’énergie aux cellules par le biais de la phosphorylation oxydative et sont un sujet courant dans les examens. A l’exception des érythrocytes matures, les mitochondries sont présentes dans toutes les cellules.

Les mitochondries possèdent 2 membranes ainsi qu’un espace intermembranaire entre elles. La membrane externe lisse contient des porines, par lesquelles les molécules < 10 kDa peuvent passer, tandis que la membrane interne est largement pliée afin d’augmenter la surface. Elle restreint l’espace matriciel et transporte les enzymes de la chaîne respiratoire et de la synthèse de l’ATP.

Basiquement, il existe 2 types distincts de la membrane interne en raison du repliement :

1. Type Crista : dans les cellules métaboliquement actives comme les cardiomyocytes
2. Type Tubule : dans les cellules productrices de stéroïdes

Les enzymes de la β-oxydation et celles du cycle de l’acide citrique sont situées dans l’espace matriciel.

Les mitochondries sont semi-autonomes puisqu’elles possèdent leur propre ADN circulaire (ADNmt). Comme l’indique la théorie de l’endosymbiose, les mitochondries sont des procaryotes phylogénétiques qui sont incorporés dans les eucaryotes au cours de la symbiose.

Cette hypothèse est en outre étayée par le fait que les mitochondries possèdent des ribosomes 70S (sous-unités 50S et 30S) et par l’implication du lipide bactérien cardiolipine dans l’élaboration de la membrane interne.

Image : Mitochondrie. Par philschatz, Licence : CC BY 4.0

Lysosomes

Un pH acide (4,5-5) ainsi qu’une forte teneur en hydrolases acides, protéases, lipases, enzymes estérases, élastases, collagénases et phosphatases acides, entre autres, sont les caractéristiques des lysosomes.

Leurs principales caractéristiques sont l’auto- et l’hétérophagie ainsi que la dégradation des substances endogènes et étrangères. Lorsqu’un lysosome primaire (encore inactif) fusionne avec les substances à dégrader, on parle de lysosome secondaire.

Péroxysomes

Image : Peroxisome. Par philschatz, Licence : CC BY 4.0

Les peroxysomes sont principalement situés dans le foie et les reins et contiennent les enzymes peroxydase et catalase, car ils ont pour but de dégrader les acides gras par oxydation. Au cours de ce processus, un sous-produit, le peroxyde d’hydrogène, est produit et peut entraîner des lésions cellulaires. Il doit donc être dégradé en eau et en oxygène au moyen d’une catalase.

Ribosomes

Les ribosomes 80S eucaryotes sont composés de 2 sous-unités (60S et 40S) constituées d’un tiers de protéines et de deux tiers d’ARNr. Ils peuvent se trouver dans le cytosol et aider à la synthèse des protéines cytoplasmiques et nucléaires ou être liés à la membrane dans le réticulum endoplasmique rugueux pour permettre la synthèse des protéines lysosomales ainsi que l’exportation des protéines ou des protéines membranaires.

Centrioles

Ces organelles cellulaires apparaissent sous une forme cylindrique et sont composées de microtubules. Une paire de centrioles est disposée perpendiculairement à une autre pour former le centrosome. Le centrosome est le site de formation des microtubules et est également appelé MTOC (microtubule organizing center).

Les inclusions cellulaires

Les inclusions cellulaires sont des sous-produits du métabolisme, des nutriments stockés, des accumulations de substances exogènes, ou endogènes qui sont libres dans le cytoplasme. Il s’agit notamment de particules de glycogène, de gouttelettes de graisse intracellulaire, de structures cellulaires pigmentées (hémosidérine, lipofuscine, poussière de carbone) et de particules virales.

Dans le cas de certaines maladies comme l’hémochromatose ou la maladie de stockage du glycogène, les inclusions cellulaires sont présentes à un degré pathologique.

Composants et fonctions du cytosquelette

Le cytosquelette est situé dans le cytoplasme et est responsable de la stabilisation, du transport intracellulaire des substances, ainsi que de la migration (lat. : migrare=marche) de la cellule. Ce réseau tridimensionnel est constitué de microtubules, de filaments intermédiaires et de filaments d’actine. Ces composants sont soumis à un assemblage et un désassemblage constant, ce qu’on appelle la polymérisation et la dépolymérisation.

Image : Les 3 composants du cytosquelette. Par philschatz, Licence : CC BY 4.0

Filaments d’actine (F-actine)

Ils sont les plus petits composants du cytosquelette ayant un diamètre de 7 nm et sont également appelés microfilaments.

La F-actine est composée de 2 chaînes d’actine, enroulées en hélice l’une autour de l’autre, qui sont générées par la polymérisation de nombreux monomères d’actine globulaire (G-actine). Dans de nombreux cas – mais pas toujours – les filaments d’actine sont associés à la myosine, la protéine motrice du système d’actine. Ils constituent la base du mécanisme de glissement des filaments des muscles.

En outre, les filaments d’actine ont également des fonctions stabilisatrices, puisqu’ils constituent la structure de base des microvillosités ou le point d’ancrage des desmosomes.

Filaments intermédiaires

Avec un diamètre de 10 nm, ils constituent la structure de soutien passive de la cellule. L’expression des filaments intermédiaires varie selon les types de tissus, donc par leur biais, on peut déterminer l’origine d’une tumeur maligne, par exemple :

Microtubules

Avec un diamètre de 25 nm, ils sont les plus grands composants du cytosquelette et proviennent du centrosome (voir ci-dessus). Ils sont composés de dimères d’α- et de β-tubuline et ont l’apparence d’un cylindre creux, avec une extrémité chargée négativement et l’autre positivement.

Les microtubules déterminent la localisation des organites cellulaires dans la cellule et forment un réseau de transfert de masse direct. Ils sont également les structures de base des kinocils et de l’appareil fusiforme pendant la mitose et la méiose.

Structure et fonction des contacts cellulaires

Sur la base des fonctions des 3 types de cellules, les contacts peuvent être classés comme :

1. Contacts de communication
2. Contacts d’adhésion
3. Contacts de barrière en tant que connexions imperméables

Contacts de communication

Ils comprennent les jonctions lacunaires, également appelées nexus (questions importantes du test).

Elles sont constituées de protéines transmembranaires appelées connexines. Six connexines forment un connexon et 2 connexons forment ensuite un nexus. Ils permettent la communication électrique et métabolique entre 2 cellules adjacentes. Par exemple, on trouve un nombre particulièrement important de jonctions gap dans le disque intercalaire du myocarde.

Contacts d’adhésion/adhésion

Ils servent d’ancrage mécanique et sont constitués de 3 composants essentiels : des protéines transmembranaires, des protéines de plaque et du cytosquelette. Les desmosomes peuvent être trouvés entre les cellules adjacentes comme un contact cellule-cellule. Les hémidesmosomes, en revanche, relient la cellule à la matrice extracellulaire, créant un contact cellule-matrice.

Le tableau suivant donne un aperçu des différents types de contacts d’adhésion puisqu’ils sont pertinents pour l’examen en histologie et en biochimie.

Contacts barrière-fermeture

Ils sont appelés jonctions serrées, zonula occludens, et sont développés par la fusion de la membrane externe des cellules adjacentes. Ainsi, l’espace intracellulaire est en forme de ceinture et entoure cette zone, de sorte que le flux de molécules paracellulaires est entravé (barrière de diffusion). Dans cette zone, l’occludine et la claudine sont des protéines transmembranaires importantes.

Complexe fonctionnel

Ce complexe adhésif sert de barrière de perméabilité sélective et lorsqu’il est vu de la couche apicale à la couche basale et se compose de la zonula occludens, de la zonula adhaerens et de la macula adhaerens.

Communication cellulaire

Hormones et transduction

Les hormones sont des messagers chimiques qui transfèrent l’information d’une cellule à une autre. Ces composés sont produits par des glandes endocrines telles que celles de l’hypophyse et de la thyroïde.

Vue d’ensemble des organes endocriniens et des hormones importantes

Les organes endocriniens produisent des hormones en réponse aux signaux de l’environnement externe tels que la douleur, la pression, la chaleur et la lumière. Les hormones peuvent également être produites en réponse à des signaux provenant de l’intérieur du corps, comme ceux de la faim.

• Une fois que les hormones sont produites, elles sont sécrétées dans le sang qui les transporte vers les cellules d’autres parties du corps où elles exercent leur effet.
• Les cellules cibles de ces hormones possèdent des récepteurs qui leur permettent de répondre à l’hormone. Ces récepteurs sont constitués de protéines et sont généralement situés dans la membrane plasmique qui se trouve à la surface de la cellule, bien que certains puissent également se trouver à l’intérieur de la cellule.
• Lorsque l’hormone atteint une cellule avec son récepteur, elle se lie au récepteur et provoque un changement de conformation. Cela signifie que le récepteur change de forme et limite sa capacité à se lier à une autre hormone.

Le changement de conformation déclenche également une série de réactions au sein de la cellule qui sont connues sous le nom de cascades de transduction. Selon l’hormone et la cellule spécifique avec son récepteur, cette chaîne d’événements peut impliquer la libération d’enzymes qui travaillent ensemble pour générer des réponses.

Effets des hormones sur les cellules cibles

Ces réponses vont de la division cellulaire, la motilité cellulaire et la mort cellulaire. Elles peuvent également impliquer des changements dans les canaux ioniques qui permettent ou limitent le mouvement de certaines molécules dans les cellules.

Les autres effets de la transduction du signal hormonal comprennent l’absorption du glucose dans le sang (insuline), l’augmentation de la pression artérielle et du rythme cardiaque (adrénaline), et la régulation du cycle menstruel (œstrogène et progestérone).

La transduction du signal permet à la cellule de contrôler sa réponse à l’hormone et à l’environnement. En ayant de nombreuses étapes, les effets de l’hormone sont également amplifiés.