Cours de Biologie-Anatomie-Physiologie-Physiopathologie.pdf

IPFC1 Cours de Biologie-Anatomie- Physiologie-Physiopathologie BIRSG bloc 1 Van Belle Astrid (PhD) (D’après les cours des Drs Archambeau et Scimar) 1  Plan du cours - Introduct...

IPFC1 Cours de Biologie-Anatomie- Physiologie-Physiopathologie BIRSG bloc 1 Van Belle Astrid (PhD) (D’après les cours des Drs Archambeau et Scimar) 1  Plan du cours - Introduction, définition - Les cellules - Les tissus - Les systèmes étudiés dans cette UE: respiratoire cardio-vasculaire tégumentaire (+ pathologies cutanées) locomoteur (osseux + musculaire) nerveux reproducteur 2  LA MATIÈRE VIVANTE Voir aussi biochimie (IPFC3001-2) 3  LA MATIÈRE VIVANTE Comprend 3 grandes catégories d ’éléments: 1) EAU 70-80 % 2) MINERAUX (composés inorganiques): sels 3) Éléments ORGANIQUES 4  LA MATIÈRE VIVANTE EAU 70-80 % http://planet-terre.ens-lyon.fr/objets/Images/fossiles-ADN/momie-Ramses.jpg momie 5  LA MATIÈRE VIVANTE Composés organiques Existent uniquement dans le règne animal et végétal Contiennent tous du carbone Se répartissent en 4 catégories: 1. LIPIDES 2. GLUCIDES 3. PROTIDES 4. ACIDES NUCLÉIQUES 6  LA MATIÈRE VIVANTE Composés organiques: 4 catégories Atomes Unités de base Rôles dans présents l’organisme GLUCIDES C,H,O Monosaccharide Substrat C6: glucose, galactose énergétique C5: ribose, désoxyribose, fructose préférentiel LIPIDES C,H,O Ac. Gras + glycérol - Mise en réserve de l’énergie - Constitution des membranes…. PROTIDES C,H,O,N Ac. aminés - Enzymes - Structure ACIDES C,H,O,N,P Nucléotides Support de NUCLEIQUES information ADN et ARN génétique… 7 8  LES CELLULES A. Caractéristiques générales de la cellule B. Anatomie de la cellule C. Physiologie de la cellule ➔ Livre chapitre 3 pp.65-93 9  A. Caractéristiques générales de la cellule CELLULE = la plus petite unité de tout organisme vivant La plus petite partie de l’être vivant capable de remplir toutes les fonctions de celui-ci: - Métabolisme (nutrition, respiration, excrétion,…) - Croissance - Reproduction et transmission du matériel héréditaire - Mouvement « Etre vivant miniature » 10  A. Caractéristiques générales de la cellule 1014 cellules dans notre corps (davantage chez les grands) 60% d’eau (les cellules baignent aussi dans le liquide interstitiel) Taille variable: 2μm à 1m (ex: neurones) Forme variable, selon la spécialisation Fonction(s) variable(s) 11  B. Anatomie de la cellule 1. Noyau Enveloppe nucléaire Nucléoplasme Nucléole Chromatine 2. Membrane plasmique Lipides Protéines Eléments spécialisés 3. Cytoplasme Cytosol Inclusions cytoplasmiques Organites 12  B. Anatomie de la cellule 1. Noyau Enveloppe nucléaire = membrane double + pores nucléaires Nucléoplasme = liquide Nucléole = siège de la transcription des ARN ribosomiques Chromatine = ADN (acide désoxyribonucléique) + protéines ➔ division cellulaire (cfr physiologie de la cellule) 13  B. Anatomie de la cellule 1. Noyau Rôles: Support de l’information héréditaire (division cellulaire) Dirige la synthèse des protéines 14  B. Anatomie de la cellule 2. Membrane plasmique = barrière qui sépare le contenu de la cellule du milieu environnant. C’est une bicouche lipidique où s’insèrent des protéines. Lipides: - 2 couches de phospholipides (têtes hydrophiles à l’extérieur et queues hydrophobes à l’intérieur) - cholestérol: effet stabilisant + fluidité de la membrane Protéines: - Récepteurs - Transporteurs - Glycoprotéines (protéines qui portent des glucides) Eléments spécialisés: - Microvillosités - Jonctions membranaires 15  B. Anatomie de la cellule 2. Membrane plasmique = barrière qui sépare le contenu de la cellule du milieu environnant. C’est une bicouche lipidique où s’insèrent des protéines. Propriétés: - Membrane à perméabilité sélective - structure non rigide → fluide 16  B. Anatomie de la cellule 2. Membrane plasmique: les lipides 17  B. Anatomie de la cellule 2. Membrane plasmique: les lipides Microscopie électronique 18  B. Anatomie de la cellule 2. Membrane plasmique: les protéines - Structure - Transporteurs - Récepteurs - Glycoprotéines 19  B. Anatomie de la cellule 2. Membrane plasmique: les éléments spécialisés - Microvillosités → augmenter la surface - Jonctions membranaires: Jonctions serrées → imperméabilité (ex: intestin) Jonctions ouvertes → communication et passage de nutriments Desmosomes → ancrage (ex: peau) 20  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme = le contenu cellulaire entre la membrane plasmique et le noyau. Cytosol = liquide translucide - Eau +++ - Eléments organiques et minéraux Inclusions cytoplasmiques = nutriments rassemblés - Gouttelettes lipidiques (ex: tissu adipeux) - Granule de glycogènes (ex: foie et muscles) - Mélanine (ex: peau) - Mucus, … Organites = appareil métabolique de la cellule. Chaque organite possède une fonction bien précise. 21  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites a. Les mitochondries = Centrale d’énergie de la cellule 2 membranes, externe et interne (avec des replis = crêtes qui contiennent des enzymes pour l’oxydation) ADN mitochondrial Organite important dans la respiration cellulaire (consommation d’O2) - Lieu d’oxydation du glucose ( et des acides gras) dans le cycle de Krebs, chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative - Production ATP (source énergie indispensable) C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6H2O + énergie (ATP + chaleur) 22  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites a. Les mitochondries = Centrale d’énergie de la cellule 23  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites b. Les ribosomes = granules composés de protéines et d’ARN ribosomique → synthèse des protéines - Isolés dans le cytoplasme ou associés au réticulum endoplasmique (rugueux) - Constitués de 2 sous-unités (1 grande et 1 petite) 24 25  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites c. le réticulum endoplasmique = réseau de citernes, canaux reliés entre eux 2 types: R.E.L (lisse) → synthèse des lipides et détoxication des médicaments, pesticides….(foie) R.E.R (rugueux, avec des ribosomes) → synthèse des protéines 26 https://askabiologist.asu.edu/les-parties 27  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites d. L’appareil de Golgi ou complexe golgien = pile de sacs membraneux + petites vésicules o Modification et emballage des protéines en provenance du RER (via vésicules de transport) o « Trafic » des protéines: Vésicule de sécrétion → protéines à l’extérieur de la cellule Vésicule contenant des protéines ou des phospholipides pour la membrane plasmique Vésicule transformée en lysosome 28 29 30  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites e. Les lysosomes = vésicules dérivées de l’appareil de Golgi contenant des enzymes digestives = «éboueurs de la cellule» — pH acide — Digestion de produits d’endocytose → pinocytose (ex: toxines) ou phagocytose (ex: bactéries) — Autophagie 31 32  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites f. Les peroxysomes = Sacs membraneux qui contiennent des enzymes utilisant l’O2 (oxydases). « centre de détoxification » — Oxydases: neutralisation de substances toxiques dont l’alcool et les radicaux libres — Présents en grande quantité dans le foie et les reins Aussi découvert par Christian de Duve 33  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites g. Le cytosquelette = « squelette » de la cellule qui permet de lui donner une forme Réseau de protéines de 3 types: - Filaments intermédiaires (plusieurs protéines) - Microfilaments (actine et myosine) - Microtubules (tubuline) 34 35 g. Le cytosquelette = « squelette » de la cellule qui permet de lui donner une forme 36  B. Anatomie de la cellule 3. Cytoplasme: les organites g. Le cytosquelette: rôles Régule la forme de la cellule et les déplacements de la membrane (lors de la phagocytose par exemple) Régule l’ancrage aux cellules voisines (desmosomes) Organise l’espace intracellulaire et permet le déplacement des organites (mobilité des vésicules) Permet déplacements et contractions de la cellule (exemple : flagelle du spermatozoïde ; contraction de la cellule musculaire) Règle les déplacements des chromosomes lors de la division cellulaire (rôle du centrosome) 37 38  B. Anatomie de la cellule La diversité des cellules Chez l’homme: 200 types de cellules avec tailles, formes et fonctions différentes Selon la fonction de la cellule: — Forme particulière — Quantité relative des ≠ organites 39 B. Anatomie de la cellule 40  C. Physiologie de la cellule Les cellules = « usines miniatures » La direction: le noyau Les murs extérieurs: la membrane plasmique Les différents départements: les organites Les matières premières: les protéines, les lipides, le glucose La fourniture d’énergie: glucose et oxygène (production d’ATP) Les produits finis: protéines du cytosquelette, enzymes, hormones,… L’import – export (transport membranaire) Le stockage (ex: gouttelettes lipidiques) L’élimination des déchets L’agrandissement La multiplication (division cellulaire) 41  C. Physiologie de la cellule Les cellules = « usines miniatures » 42  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire (livre chap3 pp70-77) Mécanismes de transports passifs Mécanismes de transports actifs 2. Division cellulaire (livre chap3 pp77-78 + cours de biochimie) Réplication de l’ADN Mitose et cytocinèse 3. Synthèse des protéines (livre chap3 pp78-82) Rôle des ARNs Transcription Traduction Code génétique 4. Métabolisme cellulaire (vu au cours de biochimie, livre pp521-524) 43  C. Physiologie de la cellule RAPPEL Le liquide est une solution = mélange homogène de plusieurs constituants (ex: eau de mer = eau + sels) Eau = solvant Sels = solutés 44 http://bv.alloprof.qc.ca/  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire Liquide interstitiel Liquide intracellulaire (nucléoplasme et cytosol) = Solution d’eau avec un peu O2 Liquide intracellulaire et CO2, nutriments et sels (nucléoplasme et cytosol) Liquide interstitiel = Solution d’eau avec nutriments (aa, sucres, AG, vitamines), hormones, neurotransmetteurs, sels, déchets Entre les deux: membrane plasmique avec une perméabilité sélective a) Mécanismes de transports passifs: diffusion (simple ou facilitée par canaux ou transporteurs) et filtration b) Mécanismes de transports actifs (coûte de l’énergie = ATP): pompes, exocytose, endocytose (phagocytose, pinocytose et endocytose par récepteurs interposés) 45  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire a) Transport passif: diffusion (voir aussi biochimie) Du compartiment le plus concentré vers le moins concentré = gradient de concentration Plus les molécules sont petites, plus elles diffusent rapidement Pas besoin d’ATP I. Diffusion du soluté o Diffusion simple: membrane semi-perméable: molécules petites, non polaires, liposolubles (ex: lipides, vitamines liposolubles, O2, CO2) passent sans difficulté o Diffusion facilitée: les molécules sont volumineuses et/ou non liposolubles → canal ou transporteur II. Diffusion du solvant (osmose): eau diffuse par des pores membranaires = aquaporines. Phénomène rapide 46  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire a) Transport passif: diffusion Propriété de la membrane: perméabilité sélective Diffusion selon le gradient de concentration (soluté) La diffusion de la matière est un processus par lequel les molécules d’un soluté se déplacent d’une région où la concentration est élevée vers une région où la concentration est faible. Ce déplacement s’effectue jusqu’à ce que les concentrations dans les deux milieux soient à l’équilibre, c'est-à-dire à la même concentration. 47  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire a) Transport passif: diffusion !! Selon le gradient de concentration!! 48  DIFFUSION SIMPLE DIFFUSION FACILITEE par DIFFUSION FACILITEE par CANAL PROTEIQUE TRANSPORTEUR Substances liposolubles et de Substances non Substance non liposoluble, de plus petite taille liposolubles mais de grande taille ou polaire petite taille ! Transport limité quand toutes les protéines transporteuses sont saturées Acides gras H2O (aquaporines) Glucose et autres sucres CO2, O2, ions Acides aminés Vitamines liposolubles (A,D,E,K) alcool 49  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire a) Transport passif: Osmose, Pression osmotique Propriété de la membrane: perméabilité sélective Osmose selon le gradient de concentration (mouvement du solvant): rapide Le phénomène d’osmose fait référence au déplacement de molécules d’eau (ou de solvant) d’un milieu moins concentré en soluté vers un milieu plus concentré en soluté. 50  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire a) Transport passif: Osmose, Pression osmotique 51 52  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire a) Transport passif: Osmose, Pression osmotique 53  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire a) Transport passif: Filtration Gradient de pression Dans le rein, filtration depuis les capillaires vers les tubules rénaux pour former l’urine (cfr. système urinaire) 54  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire b) Transport actif: les pompes Contre les lois de l’osmose, aggrave la différence de concentration Consomme de l’énergie (ATP) Ex: pompe ( Na+/K+) 55  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire b) Transport actif: les pompes Beaucoup Na+ Peu K+ Peu Na+ Beaucoup K+ 56  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire b) Transport actif: L’exocytose Transport vésiculaire de substances vers l’extérieur de la cellule: sécrétion Consomme de l’énergie (ATP) Ex: libération d’hormone 57  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire b) Transport actif: L’exocytose 58  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire b) Transport actif: L’endocytose Transport vésiculaire de substances vers l’intérieur de la cellule: Consomme de l’énergie (ATP) 3 types: o Phagocytose (gros fragments: mécanisme de défense) o Pinocytose (liquide) o Endocytose par récepteurs interposés (sélection de la substance) 59 C. Physiologie de la cellule 60 C. Physiologie de la cellule 61 C. Physiologie de la cellule 62 RESUME Condition Exemples Transport passif Gradient de concentration - Diffusion simple Liposoluble + petite Acide gras, alcool, CO2, O2,… - Diffusion facilitée par Petite taille Ions, H2O canal ou pore - Diffusion facilitée par Spécificité Glucose, acide transporteur aminé - Filtration Gradient de pression Rein Transport actif ATP - Pompes Na+/K+ - Exocytose Hormones - Endocytose Pinocytose (boire) Phagocytose (manger) Récepteur interposé (spécificité) 63  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire (livre chap3 pp70-77) Mécanismes de transports passifs Mécanismes de transports actifs 2. Division cellulaire (livre chap3 pp77-78 + cours de biochimie) Réplication de l’ADN Mitose et cytocinèse 3. Synthèse des protéines (livre chap3 pp78-82) Rôle des ARNs Transcription Traduction Code génétique 4. Métabolisme cellulaire (vu au cours de biochimie, livre pp521-524) 64  C. Physiologie de la cellule 2. Division cellulaire - L’ADN L’ADN est composé de nucléotides qui comprennent: - un sucre (désoxyribose) - Un groupement phosphate - Une base azotée (thymine T, adénine A, cytosine C et guanine G) 65  C. Physiologie de la cellule 2. Division cellulaire - L’ADN Les nucléotides s’assemblent en 2 chaînes = double hélice d’ADN Echelle dont les montants sont une alternance de sucres et de phosphates et les barreaux sont les bases azotées 66 http://bioutils.unige.ch/ 67  C. Physiologie de la cellule - L’ADN L’ADN = succession de gènes Chaque gène est un message codé. « une recette pour fabriquer un plat » Les gènes correspondent à des instructions utilisées par les cellules pour accomplir différentes fonctions Un gène peut être défini comme un fragment de molécule d’ADN. « l’ADN étant le livre avec toutes les recettes » Les gènes contiennent des informations « écrites » en 4 lettres seulement. 68  C. Physiologie de la cellule - L’ADN L’ADN (2m de longueur) peut se condenser de manière étonnante et présenter divers aspects: En période d’interphase: l’ADN est associé à des protéines et forme la chromatine (filaments très enchevêtrés difficilement discernables) En période de division cellulaire, la molécule d’ADN se réplique puis se condense pour former un chromosome 69  C. Physiologie de la cellule - Les chromosomes Chromosome = ADN condensé Dans chaque cellule somatique, 46 chromosomes = 23 paires Pour chaque paire de chromosomes: un provient du père l’autre de la mère Exception, les cellules germinales… 70 Caryotype: ensemble des chromosomes d’une cellule d’un individu 71 http://www.futura-sciences.com/  C. Physiologie de la cellule 2. La division cellulaire La division cellulaire permet la croissance, le maintien de la vie (renouvellement des cellules mortes ou endommagées), la transmission héréditaire. ➔MITOSE (cellules somatiques) ➔MÉIOSE (cellules germinales) ➔ embryologie (bloc 2) Avant la division cellulaire, il faut doubler le matériel génétique afin de disposer de 2 exemplaires identiques = Réplication de l’ADN 72 2. Division cellulaire a) La réplication de l’ADN Précède la division cellulaire. Il faut doubler le matériel génétique afin de disposer de 2 exemplaires identiques. Séparation des 2 brins complémentaires Chaque brin = matrice pour la synthèse d’un nouveau brin par l’ADN polymérase (enzyme) Ancien brin Nouveau brin Réplication semi-conservative 73 2. Division cellulaire a) La réplication de l’ADN Précède la division cellulaire. Il faut doubler le matériel génétique afin de disposer de 2 exemplaires identiques. Séparation des 2 brins complémentaires Chaque brin = matrice pour la synthèse d’un nouveau brin par l’ADN polymérase (enzyme) Réplication semi-conservative 74  75 Biologie, Campbell Ed Pearson - La réplication de l’ADN  C. Physiologie de la cellule 2. Division cellulaire b) La mitose et la cytocinèse Mitose = division du noyau. La mitose est le partage des chromosomes dupliqués entre les 2 cellules filles. 4 phases: ▪ Prophase = formation des chromosomes (2 chromatides). Chromatine → Assemblage de chromatides ▪ Métaphase = formation de la plaque équatoriale ▪ Anaphase = séparation des 2 chromatides ▪ Télophase = déroulement des chromatides Cytocinèse = division du cytoplasme 76 77  C. Physiologie de la cellule 1. Transport membranaire (livre chap3 pp70-77) Mécanismes de transports passifs Mécanismes de transports actifs 2. Division cellulaire (livre chap3 pp77-78 + cours de biochimie) Réplication de l’ADN Mitose et cytocinèse 3. Synthèse des protéines (livre chap3 pp78-82) Rôle des ARNs Transcription Traduction Code génétique 4. Métabolisme cellulaire (vu au cours de biochimie, livre pp521-524) 78  C. Physiologie de la cellule 3. Synthèse des protéines a) Le rôle des ARNs: ARNm: apporte le message de l’ADN dans le cytoplasme → TRANSCRIPTION ARNr : entre dans la composition des ribosomes ARNt : apporte les acides aminés aux ribosomes → TRADUCTION 79  C. Physiologie de la cellule 3. Synthèse des protéines b) Transcription = fabrication d’un ARNm à partir de l’ADN dans le noyau 1° étape: les 2 brins d’ADN se séparent sur une longueur déterminée 2° étape: Les nucléotides dont le sucre est le ribose se fixent sur les bases complémentaires (Thymine T dans l’ADN = Uracile U dans l’ARNm) 3° étape: Les nucléotides dont le sucre est le ribose sont assemblés par l’ARN polymérase → ARN complémentaire de l’ADN 80 1 2 3 81 Biologie, Campbell Ed Pearson  C. Physiologie de la cellule 3. Synthèse des protéines b) Transcription: Résumé Fabrication d’un ARNm à partir de l’ADN dans le noyau L’ARN synthétisé est appelé ARN messager car il porte le code pour la fabrication des protéines L’ARNm sort du noyau pour se diriger vers un ribosome 82  C. Physiologie de la cellule 3. Synthèse des protéines c) Traduction = Lecture de l’ARNm pour assembler la protéine dans le cytoplasme Le ribosome scanne l’ARNm Les ARN de transfert achemine les aa dans l’ordre requis pour former le polypeptide (protéine) 83  C. Physiologie de la cellule 3. Synthèse des protéines d) Le code génétique 3 bases d’ARNm (= 1 codon) codent pour 1 acide aminé. Acide aminé = unité de base des protéines (maillon de la chaîne). Ordre des aa est essentiel! Le ribosome doit savoir où sont le début et la fin de la protéine - 1 codon de départ = AUG qui code pour la méthionine - 3 codons STOP différents = UAA, UAG, UGA 84  C. Physiologie de la cellule 3. Synthèse des protéines d) Le code génétique 85 C. Physiologie de la cellule 86 87