LA CELLULE 1re anne mdecine Cytologie Dr BERROUKECHE

LA CELLULE 1ére année médecine Cytologie Dr. BERROUKECHE Farid

Plan de cours 1. 1 Êtres unicellulaires et pluricellulaires 1. 2 Plans d’organisation cellulaire 1. 3 Cellule procaryote 1. 4 Cellule eucaryote 1. 5 Virus

1 - Procaryote, eucaryote et acaryote Introduction

La cellule constitue donc: Ø une unité de structure : support des activités biologiques Ø une unité de reproduction : développement ou réparation des organes, des tissus Ø une unité d’information : contient l’information héréditaire Ø une unité de fonction : assure la réalisation des activités biologiques nécessaires à la vie

La cellule est capable d’effectuée différentes fonctions : ü Nutrition et métabolisme ü Respiration ü Croissance et reproduction (transmission héréditaire) ü Mouvement ü Mort cellulaire

Êtres unicellulaires et pluricellulaires Être unicellulaire une seule cellule Assure des fonctions vitales (se nourrir, proliférer, etc. ). Bien qu’a priori autonome Être pluricellulaire Plus évolué et plus complexe Comporte plusieurs cellules interdépendantes. Chacune d’entre elles, bien qu’ayant le même matériel génétique (à de rares exceptions près), se spécialise et se différencie, formant des tissus, des organes et des systèmes qui accomplissent les fonctions nécessaires à la vie de l’organisme

Plans d’organisation cellulaire Le monde des cellules est subdivisé en deux grands groupes Procaryotes Du latin pro, « avant » et du grec caryon, « noyau » ) sont des êtres vivants unicellulaires dépourvue du noyau. Le matériel génétique formé d’une unique molécule d’ADN double-brin circulaire, avec absence d’organites Eucaryotes Du latin Eu, « Vrai» et du grec caryon, « noyau » ) Ils ont une organisation complexe et de nombreux organites. Le matériel génétique est enfermé dans un noyau entouré d’une enveloppe nucléaire. Ils constituent un très large groupe d’organismes, uni ou pluricellulaires.

Cellule procaryote Les bactéries se présentent sous plusieurs formes différentes. L’étude des bactéries est la bactériologie, une branche de la microbiologie,

Cellule procaryote

A. Nucléoïde ADN bicaténaire circulaire qui ce concentre sous forme de chromosome bactérien. Non délimité par une membrane ou enveloppe. B. Membrane plasmique La membrane plasmique des bactéries ressemble sur de nombreux points à celle des cellules eucaryotes : Toutefois, elle ne contient pas de cholestérol. C. Cytosol (hyaloplasme) Le cytosol ou hyaloplasme est, la phase liquide qui se trouve entre la membrane plasmique et le nucléoïde. C’est le siège de la majorité des réactions chimiques du métabolisme.

Ribosomes Les ribosomes sont des structures cytoplasmiques complexes. Formés de protéines et d’acide ribonucléique (ARNr) et sont souvent groupés en amas qu’on appelle polyribosomes ou polysomes. Rôle Est de synthétiser les protéines en assurant la traduction de l’information génétique portée par l’ARN messager. Il est a noté que les ribosomes procaryotes diffèrent de ceux des eucaryotes par leur morphologie et leur composition chimique

Plasmides Les plasmides sont des fragments d’ADN double-brin (bicaténaire) circulaire distincts du nucléoïde, indépendant du chromosome de l’hôte et se répliquer de manière autonome. Les plasmides comportent souvent des gènes conférant des avantages sélectifs : Plasmides de résistance : ils portent des gènes codant pour des enzymes capables d’inactiver ou de modiﬁer certains antibiotiques et confèrent donc une résistance aux antibiotiques chez les bactéries qui les contiennent. Plasmides de virulence : ils portent des gènes codant pour des toxines ou autres substances dangereuses, rendant les bactéries plus pathogènes. Plasmides métaboliques : ils portent des gènes d’enzymes qui métabolisent divers substances telles que des sucres, des pesticides, etc. Ces plasmides sont généralement transmissible d’une bactérie a une autre,

F. Mésosomes sont des invaginations de la membrane plasmique qu’on trouve chez les bactéries Gram-positives le plus souvent, mais aussi chez les Gramnegatives. Ils sont aussi impliqués dans la division binaire (scissiparité) des cellules procaryotes,

Inclusions cytoplasmiques De nombreux granules de matière organique ou inorganique, que l’on appelle inclusions cytoplasmiques se trouvent dans le cytoplasme des bactéries. Les inclusions organiques sont le plus souvent des réserves énergétiques et contiennent du glycogène ou des lipides. Une inclusion organique remarquable, la vacuole gazeuse, est présente chez de nombreuses cyanobactéries et leur permet de ﬂotter à la surface. Les inclusions inorganiques peuvent contenir du phosphate, et parfois du souffre

H. Capsule La capsule est une structure extérieure, plus ou moins épaisse qui entoure la paroi de certaines bactéries. Composition chimique: la constitution de la capsule est le plus souvent polysaccharidique (polymère de molécules de saccharose), parfois protéique ; Rôle : la capsule protège la bactérie de la phagocytose et des agents physicochimiques (on dit que c’est un facteur de virulence) tout en lui permettant d’adhérer plus facilement aux autres êtres vivants,

I. Paroi bactérienne La paroi bactérienne est une enveloppe rigide et résistante, présente chez toutes les bactéries à l’exception des mycoplasmes. La bactérie étant très riche en solutés, sa pression osmotique interne est très élevée donc la paroi évite l’éclatement de la cellule,

La composition de la paroi n’est pas la même d’un groupe de bactéries à l’autre. La coloration de GRAM met en évidence deux types de parois :

J. Flagelles Les flagelles sont des structures en forme de filaments longs (peuvent atteindre plusieurs fois celle de la bactérie). Ils sont constitués d’une protéine contractile : la flagelline ( rôle dans la mobilité) K. Pili Les pili (singulier pilus) sont des évagination de la membrane plasmique se situant à la surface de la paroi de nombreuses bactéries. Ils sont fréquents chez les bactéries Gram négatif et rares chez les Gram positif. Pili communs: Ils sont constitués par la polymérisation d’une protéine : la piline. Ils ont un rôle de fixation qui permet aux bactéries de s’attacher aux cellules eucaryotes. Pili sexuels: Ils permettent l’échange de matériel génétique entre deux bactéries par le phénomène de conjugaison bactérienne

Mode de reproduction Les bactéries se reproduisent de façon asexuée selon un mode de division cellulaire appelée scissiparité ou ﬁssion binaire. Le matériel génétique est tout d’abord dupliqué (par réplication de l’ADN), puis la bactérie se divise en deux cellule filles. Ainsi, la descendance d’une cellule bactérienne est un clone de cellules génétiquement identiques, appelé colonie.

Sporulation L’endospore ou spore est une structure qui se forme au sein du cytoplasme de certaines espèces de bactéries à gram positif lorsque les conditions environnementales sont défavorables (stress nutritif, dessication, chaleur. . . ).

Structure générale d'une cellule animale eucaryote

Organismes unicellulaires (protozoaires) A, B, E, Fet I les ciliés, C euglenoides, D amibes, G dinoflagelles, H heliozoaires.

Les acaryotes (Virus) Un virus (mot latin signiﬁant poison) est une entité biologique particulière, un agent infectieux touchant tous les êtres vivants, incapacité à se multiplier seul par division. Organisation des virus A. B. Acide nucléique Capside (du grec capsa, boîte) Nucleocapside = capside + génome viral C. Enveloppe

Morphologie des virus

2 -Techniques d’étude de la cellule Dans ce chapitre Methodes d’exploration morphologique 2. 1 Microscopes 2. 2 Techniques histologiques et cytologiques 2. 3 Techniques d’observation des formes et des surfaces Methodes d’exploration fonctionnelle 2. 4 Techniques de détection et de localisation 2. 5 Techniques d’ultracentrifugation

Introduction La découverte de la théorie cellulaire et de tout ce qui en découle est intimement lié à l’invention des instruments d’optique et de leur amélioration. C’est principalement grâce au microscope que les cytologistes ont pu observer pour la première fois de nombreux microorganismes.

A-Exploration morphologique LA MICROSCOPIE La microscopie est un ensemble de techniques permettant d'obtenir une image des structures biologiques. Le principe est dans tous les cas le même : une onde est envoyée sur la préparation ou émise par la préparation.

Diffèrent types des microscopes Microscopes électroniques Microscope optique (MO) ME à transmission (MET) MO à fond claire ME à balayage (MEB) MO à contraste de phase MO à fluorescence

Résolution Le pouvoir de résolution, ou pouvoir de séparation, est la distance minimale séparant deux points individualisables. À titre d’exemple, le pouvoir de séparation de l’oeil humain est d’environ 0. 1 mm à 25 cm. Le PS du microscope optique est de 0, 2 µm alors que celui du microscope électronique est de l’ordre de A°

Microscope optique à fond claire

Microscope à contraste de phase il permet d’observer les cellules vivantes, dans leur milieu d’origine, sans préparation ni coloration.

Microscope à fluorescence La ﬂuorescence est une émission lumineuse provoquée par l’excitation d’une molécule (généralement par absorption d’un photon) immédiatement suivie d’une émission spontanée.

On appelle fluorochrome ou fluorophore (ou encore chromophore) une substance chimique capable d’émettre de la lumière de fluorescence après excitation. Exemples de fluorochromes : Rhodamine : absorbe la lumière verte et restitue une fluorescence rouge; Fluorescéine : absorbe la lumière bleue et restitue une fluorescence verte.

Microscopes électroniques A. Microscope électronique à transmission La résolution du microscope électronique à transmission (MET) est de l’ordre de l’ångström (environ 0. 2 nm), ce qui permet après des traitements appropriés d’étudier l’ultrastructure des cellules. Le grossissement quant à lui va de 20 000 x à 1 000 x.

B-Microscope électronique à balayage(MEB) est une technique de microscopie électronique capable de produire des images en haute résolution de la surface d’un échantillon. La résolution du MEB est de moins de 20 nm. Le grossissement va de 10 à 500 000 x

2. 2 Techniques histologiques et cytologiques 2. 2. 1 Technique histologique Étapes du protocole Fixation : acides (acide acétique), alcools, aldéhydes (formol), etc. Déshydratation : elle consiste en une série de bains dans des alcools pour arriver enfin à avoir l’échantillon dans un solvant pur : xylène, toluène. . . Inclusion : imprégner totalement les cellules d’une substance, qui permettra les durcir pour avoir une coupe fine et régulière. la paraffine qui est liquide à 60 °C et dure à la température ambiante; Coupe : On utilise un microtome (de 2 à 10 µm d’épaisseur) Réhydratation: Coloration : bleu de méthylène, vert de méthyle, rouge Soudan III. . .

Technique cytologique Fixation : les fixateurs classiques détruit les structures fines: le tétroxyde d’osmium (Os. O) et le glutaraldéhyde ou le permanganate de potassium. Déshydratation : Inclusion : on utilise la résine Coupe : coupes ultrafines sont réalisées grâce à un ultramicrotome, Contraste positif : afin de renforcer le contraste des préparations d’échantillons transparents aux électrons, on imprègne les coupes ultrafines par des contrastants, l’acétate d’uranyle ou le citrate de plomb.

B-Exploration fonctionnelle But de compléter les données morphologiques Exploration de métabolisme, les échanges cellulaires…

Cytoenzymologie Dans la cellule la présence d’un enzyme se détecte par les produits de son activité. Ex: Phosphatase Les tissus sont incubés dans un milieu contenant du phosphate (substrat) et un sel de plomb. La présence de l’enzyme se traduit par la libération du phosphate qui forme avec le plomb un précipité opaque aux électrons, R-PO 3 H 2 +H 2 O Phosphatase R’+PO 4 H 3 + Pb ++ (phosphate Pb)

Immunohistochimie pour localiser dans une cellule une substance ayant des propriétés antigéniques.

Autoradiographie § Localisation des molécules marquées avec précision dans un échantillon.

Autoradiographie Localisation des molécules marquées avec précision dans un échantillon.

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Cryofracture Protocole Congélation : la congélation dans l’azote liquide (– 196 C) permet de fixer très rapidement l’échantillon et de conserver une structure aussi proche que possible de la structure native. Cryofracture : lame métallique très fine Cryodécapage : on réalise le décapage de la surface de l’échantillon en sublimant, sous vide et à basse température, une fine pellicule de glace superficielle ; à fin d’augmenter très légèrement les reliefs des structures. Ombrage : accentué les reliefs par pulverisation du carbone et du métal (platine), Destruction du matériel biologique : acide sulfurique ou chlorhydrique). Observation au MEB, on distinguera des reliefs et des dépressions.

Hybridation in situ (sondes nucléiques)

Fractionnement cellulaire Centrifugation différentielle

Fractionnement cellulaire Centrifugation par gradient de concentration

LA CELLULE Introduction A. La membrane plasmique 1. Structure 2. Fonction B. Le cytoplasme 1. La mitochondrie 2. Le reticulum endoplasmique 3. Les ribosomes 4. L’appareil de Golgi 5. Les lysosomes 6. Les vacuoles 7. Le cytosquelette C. Le noyau 1. La membrane nucléaire 2. La chromatine 3. Le nucléole

3. Organisation de la membrane plasmique • Frontière entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule et compartimentation interne • Union des cellules entre elles • Échanges entre le cytosol et le liquide interstitiel

Structure de la membrane Après ﬁxation et contraste au tétroxyde d’osmium, les coupes de membrane plasmique apparaîssent au MET comme étant tristratiﬁée (ou trilamellaire): –deux feuillets externe dense (osmiophile) d’une épaisseur de 20 à 25 Å ; –un feuillet moyen clair (osmiophobe) d’une épaisseur de 30 à 40 Å ; Ainsi, l’épaisseur de la membrane plasmique varie entre 70 et 100 Å.

Modèle de la mosaïque fluide • Deux couches de phospholipides • Protéines à la surface et à travers • Polysaccharides attachés aux lipides ou aux protéines • Cholestérol entre les phospholipides Les molécules se déplacent sans arrêt les unes par rapport aux autres

Comparaison des compositions chimiques globales de différents types de membranes rencontrées chez les Procaryotes et les eucaryotes

Les lipides membranaires Sont des molécules amphiphiles, Les membranes cellulaires contiennent trois types de lipides membranaires: Les phospholipides (essentiellement des glycérophospholipides), Le cholestérol Les glycolipides.

Comportement des phosphoglycérolipides face à l'eau: Groupement phosphate polaire hydrophile Acides gras non polaires hydrophobes

Charges électriques : les PI et les PS sont porteurs d’une charge globale négative. Distribution : Asymétrie biochimique de la membrane. La PC est du côté exoplasmique, La PE, PS et le PIP 2 se trouvent du côté protoplasmique, Phosphatidylsérine : son passage du feuillet interne au feuillet externe caractérise les cellules apoptotiques,

Cholestérol 25% de la totalité des lipides membranaires Facteur déterminant de la fluidité membranaire Glycolipides Ils sont particulièrement abondants dans les cellules nerveuses. Leur présence est exclusivement du côté exoplasmique de la bicouche lipidique.

Propriétés des lipides membranaires Auto-organisation : propriété d’auto-assemblage et d’autofermeture. Micelles : vésicules limités par une mono-couche lipidique, sans cavité. Liposomes : vésicules limités par une double couche lipidique, avec une cavité au centre.

Fluidité membranaire: Taux de cholestérol, Insaturation et de la longueur de la chaîne aliphatique des acides gras constituant les phospholipides. Température.

Mouvements des lipides Diffusion latérale, Mouvement de rotation. Flexion : la présence de doubles liaisons rend les chaînes hydrocarbonées flexibles, elles présentent des angulations. Mouvement de bascule ou flip-flop (flippase)

Les protéines membranaires Ces protéines sont habituellement composés de chaînes polypeptidique en hélice. Généralement l’extrémité N-terminale est du coté extracellulaire et l’extrémité C-terminale du coté intracellulaire.

Fonctions des protéines membranaires Les protéines membranaires interviennent en fonction de leur nature dans divers processus, parmi eux : –le transport transmembranaire de divers substances ; –la réception d’informations ; –la reconnaissance cellulaire ; –l’adhérence entre cellules ou sur un support conjonctif.

Les glucides membranaires Les principaux glucides membranaires sont : le glucose , le galactose, le mannose, le galactosamine, le glucosamine et l’acide sialique (NANA) qui est très riche en charges négatives. ils constituent le cell coat (glycocalix)

Fonctions des glucides membranaire –Antigènes de surface pour la reconnaissance du soi (système CMH, ABO) ; –Protection des muqueuses contre l’acidité et l’action des enzymes digestives ; –l’acide sialique contribue par ses charges négatives à la ﬁxation de Co-facteurs enzymatiques ( Ca 2+ et Mg 2+ par exemple) et participe ainsi aux fonctions des enzymes membranaires.

Les microdomaines lipidiques

LIPIDES • Phospholipides (deux couches) • Cholestérol (15% à 50 % du total des lipides) Cholestérol : rôle dans le maintien de la fluidité de la membrane

Protéines de la membrane • Transport • Enzymes • Récepteurs • Adhérence entre les cellules Glycoprotéines très variables d'un individu à l'autre. Permettent au système immunitaire de distinguer ses cellules des cellules étrangères.

3. Le transport membranaire (3 -10) Passage de substances à travers la membrane peut se faire: • Par transport passif (sans dépense d ’énergie) • Par transport actif (avec dépense d ’énergie)

3. 1 Transport passif (3 -10) • Diffusion simple • Diffusion facilitée • Osmose

3. 1. 1 Diffusion simple (3 -10)

Une substance diffuse suivant son gradient de concentration : de la zone la plus concentrée à la zone qui l’est moins. Gradient = différence Le gradient de concentration entre deux milieux c'est la différence de concentration entre les deux milieux.

Perméabilité sélective La double couche de lipides est perméable: • Aux molécules très petites (H 2 O, CO 2, O 2) • Aux molécules liposolubles (hydrophobes, non polaires) La double couche de lipides est imperméable: • Aux grosses molécules et à la plupart des molécules solubles dans l’eau. • Aux ions (K+, Cl-, Na+ )

Des protéines de la membrane permettent le passage de ce qui ne peut passer à travers les lipides : • Forment des canaux à travers la membrane OU • s’associent aux molécules à transporter et les déplacent dans la membrane

N. B. Ces canaux sont généralement spécifiques : une seule substance bien précise peut les traverser et aucune autre. Donc, ce n'est pas n'importe quelle substance qui peut traverser la membrane = perméabilité sélective.

Les canaux de la membrane sont souvent formés de plusieurs sous-unités :

Canal de membrane

Certains canaux peuvent s'ouvrir et se fermer :

Exemple: canal ionique permettant le passage d ’anions

Transporteurs de membrane: • Peuvent se faire et se défaire rapidement • Certains peuvent se fermer et s’ouvrir ==> changement de perméabilité de la membrane • Sont souvent très sélectifs

Exemple de protéine de transport Canal fermé Canal ouvert

3. 1. 2 Diffusion facilitée (3 -12) La diffusion se fait par l ’intermédiaire d ’une protéine de la membrane. N. B. • Pas de dépense d ’énergie • Se fait selon le gradient de concentration

3. 1. 3 Osmose (3 -13) Côté dilué Côté plus concentré = hypotonique = hypertonique Membrane perméable à l’eau

L’eau se déplace du côté hypotonique (dilué) au côté hypertonique (concentré en soluté)

L’osmose, c’est l’eau qui se déplace en suivant son gradient de concentration Molécules d'eau libres Molécules d'eau non libres Les molécules de soluté diminuent le nombre de molécules d'eau qui sont libres de se déplacer. L'eau se déplace de là où les molécules libres sont abondantes à là où il y en a moins.

L’eau traverse la membrane des cellules : • En passant entre les molécules de phospholipides • En passant par des canaux protéiques spécifiques aux molécules d’eau : les aquaporines Les aquaporines (on en connaît plus de 200 sortes différentes) sont particulièrement nombreuses dans des cellules comme celles des tubules du rein et des racines des plantes où le passage de l’eau joue un rôle important. Peter Agre s’est mérité le Nobel de chimie 2003 pour sa découverte des aquaporines en 1988

Dans la membrane, les aquaporines forment des complexes de quatre canaux accolés molécules d’eau

Hypertonique Hypotonique

Globules rouges en milieu: • Isotonique • Hypertonique

Globules rouges en milieu hypertonique

INTESTIN L’osmose joue un rôle important dans le déplacement des liquides dans l’organisme SANG LIQUIDE INTERSTITIEL REINS Que se produirait-il si le sang devenait hypertonique ? Et s’il devenait hypotonique ? LIQUIDE INTRACELLULAIRE

Un poisson vivant en eau de mer est-il en milieu hypo, hyper ou isotonique? Eau L’eau de mer est hypertonique (par osmose) Sel (par diffusion) Comment le poisson peut-il survivre?

3. 2 Transport actif (3 -15) : Ressemble à la diffusion facilitée (nécessite un transporteur) MAIS: • Besoin d ’une source d ’énergie • Peut se faire CONTRE le gradient de concentration • Nécessite un transporteur (protéine de transport)