Précis de physiologie - Numilog

BIOSCIENCES ET TECHNIQUESCollection dirigée par A. Calas et F. Guillet

André CalasJean FigarellaJean-François PerrinChristian PlasPatrick Vannesteavec la collaboration de Henri-Jean Boulouis

Précisde physiologie

BTS et DUT

biologie humaine

PACES – Licence

BCPST – Préparation aux

concours de recrutement

des professeurs

BIOSCIENCES ET TECHNIQUESAndré CalasJean FigarellaJean-François PerrinChristian PlasPatrick Vanneste

Le Précis décrit de façon didactique et illustrée les principes fondamentaux de la physiologie. Il propose en outre, à la lumière des progrès scientifi ques récents, des approfondissements sur des thèmes en évolution ou réputés plus diffi ciles : endocrinologie, système immunitaire, circulation, neurotrans-mission, physiologie du coït, etc.

Il s’adresse aux étudiants de premier cycle, qui pourront l’utiliser tout au long de leur cursus et lors de la préparation aux concours. Il constitue également pour les enseignants un précieux support de cours.

Reconstruction tridimensionnelle par IRM de diffusion des faisceaux de fi bres myélinisées du cerveau et de cervelet, colorées suivant leur orientation. Cette image a inspiré l’illustration de couverture.

ISBN : 978-2-7040-1420-0

Précis de physiologie

En couverture

Légende de l’illustration de la 1ère page de couverture : « Creative concept of the human brain,vector illustration », illustration d’Anita Ponne. (© Fotolia).

Légende de la figure de 4e de couverture : Reconstruction tridimensionnelle par IRM de diffusiondes faisceaux de fibres myélinisées du cerveau et du cervelet, colorées suivant leur orientation(vert : avant-arrière, rouge : gauche-droite, bleu : haut-bas). (© Groupe d’imagerie neurofonc-tionnelle, CNRS, CEA, université de Bordeaux).

Editions DoinJohn Libbey Eurotext127, avenue de la République92120 Montrouge

John Libbey Eurotext Limited34 Anyard Road, CobhamSurrey KT11 2LA

Grande-Bretagne

© John Libbey Eurotext, Paris, 2016

ISBN 978-2-7040-1420-0

Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, despages publiées dans le présent ouvrage, faite sans autorisation de l’éditeur est illicite et constitueune contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usageprivé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d’autre part, les analyses ou courtescitations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sontincorporées (loi du 11 mars 1957, art. 40 et 41, et Code pénal, art. 425).

Toutefois des photocopies peuvent être réalisées avec l’autorisation de l’éditeur. Celle-ci pourra êtreobtenue auprès du Centre français du copyright, 20, rue des Grands-Augustins – 75006 Paris, auquell’éditeur a donné mandat pour le représenter auprès des utilisateurs.

BIOSCIENCES ET TECHNIQUESCollection dirigée par A. Calas et F. Guillet


André CalasJean Figarella (†)

Jean-François PerrinChristian Plas

Patrick Vannesteavec la collaboration de Henri-Jean Boulouis

Dans la même collection

Éléments de biologie cellulaire

D. Robert, B. Vian, 4e édition, 2013

Exercices de biochimie. Biochimie générale, biochimie analytique et clinique, biologie moléculaire

F. Lafont, C. Plas, 4e édition, 2013

Précis de virologie humaine

A. Le Faou (coord.), collectif, 2012

Travaux dirigés de biochimie, de biologie moléculaire et de bio-informatique

G. Coutouly, E. Klein, E. Barbieri, M. Kriat, 4e édition, 2012

Aliments et boissons. Filières et produits

E. Vierling, 3e édition, coédition Doin Éditeurs/CRDP d’Aquitaine, 2008

Aliments et boissons. Technologies et aspects réglementaires

E. Vierling, 3e édition, coédition Doin Éditeurs/CRDP d’Aquitaine, 2008

Microbiologie et toxicologie des aliments. Hygiène et sécurité alimentaires

G. Leyral (†), E. Vierling, 4e édition, coédition Doin Éditeurs/CRDP d’Aquitaine, 2007

Alimentation théorique

E. Lefrancq, H. Roudaut, coédition Doin Éditeurs/CRDP d’Aquitaine, 2005

Cours de microbiologie avec problèmes et exercices corrigés

A. Meyer, J. Deiana, A. Bernard, 2e édition, 2004

Travaux pratiques de techniques culinaires

R. Bousquet, A. Laurent, coédition Doin Éditeurs/CRDP d’Aquitaine, 2004

Biochimie des aliments. Diététique du sujet bien portant

M. Frenot, E. Vierling, 2e édition, coédition Doin Éditeurs/CRDP d’Aquitaine, 2002

Microbiologie et qualité dans les industries agro-alimentaires

G. Bonnefoy, F. Guillet, G. Leyral (†), E. Verne, coédition Doin Éditeurs/CRDP d’Aquitaine, 2002

Analyses biologiques. Sujets de BTS corrigés

J. Allay, M. Charrin, C. Plas, M. Rivière, P. Vanneste, S. Vanneste, 2001

Liste des auteurs

Coordinateur

André Calas

Professeur (Em), Université de Bordeaux

Auteurs

André Calas

Professeur (Em), Université de Bordeaux

Henri-Jean Boulouis

Professeur, Service de microbiologie immunologie,

École nationale vétérinaire d’Alfort, Maison-Alfort

Jean-François Perrin

Professeur, Lycée Saint-Louis de Bordeaux

Christian Plas

Professeur (h), École nationale de chimie, physique et biologie de Paris

Patrick Vanneste

Professeur (h), École nationale de chimie, physique et biologie de Paris

Cet ouvrage est dédié à la mémoire de Jean Figarella,

inspecteur général de l’Éducation nationale

Liste des auteurs | V

Préface

Cet ouvrage est une réédition du Précis de physiologie publié en1997.

Le thème de cet ouvrage est le corps humain et la science qui en décrit le fonctionnement.

Si celui-ci est demeuré le même, il se comprend encore mieux, grâce aux nouvelles techniquesd’exploration et d’analyse, désormais disponibles. La description du fonctionnement du corpshumain peut être aujourd’hui confirmée, précisée, affinée, mais aussi parfois modifiée en in-tégrant des phénomènes autrefois difficiles à déceler ou à interpréter.

Cette réédition permet donc de tenir compte d’éléments que l’évolution ou l’émergence destechnologies telles que l’imagerie, le marquage moléculaire, l’hybridation spécifique in situ, lesmicro- et nano-quantifications, etc., rendent visibles et qui participent de la compréhensionfine du fonctionnement des appareils, organes et tissus humains.

La physiologie est une science intégrative qui nécessite les apports de sciences diverses :– selon le niveau macroscopique ou microscopique sur lequel elles se focalisent : biologie mo-

léculaire, biologie cellulaire, histologie, anatomie ; – selon l’organe ou la fonction autour desquels elles se construisent : endocrinologie, neuro-

logie – ainsi ne prend-on pas la peine de spécifier physiologie cardio-vasculaire, physiologierespiratoire… ?

– selon la nature de leur objet d’étude : biochimie, génétique, immunologie.

C’est grâce à sa pluridisciplinarité que la physiologie permet à toutes ces sciences de convergeret de se rejoindre pour décrire et expliquer le fonctionnement d’un organisme humain.

Mais n’est-ce pas une gageure de penser qu’un seul ouvrage puisse traiter de l’ensemble desgrandes fonctions et puisse le faire avec l’indispensable rigueur scientifique ? C’est pourtantce à quoi sont parvenus les auteurs, forts de leur expérience pédagogique qui leur a permisd’adopter dans la construction des savoirs une démarche cohérente, argumentée, enrichie dechoix d’illustrations et de schémas, explicatifs.

L’exhaustivité visée supposait néanmoins quelques limitations dans certaines approches expé-rimentales, historiques par exemple, dans certains développements, afin de privilégier les ap-ports des technologies avancées.

Cet ouvrage est destiné à tous les étudiants et les professionnels désireux d’avoir une visionglobale et exacte du fonctionnement du vivant. Ainsi, les étudiants inscrits dans des voiesd’études biologiques, médicales ou paramédicales, les professionnels techniciens de soins,d’analyses, de recherche trouveront dans cet ouvrage matière à appréhender dans son ensem-ble la physiologie humaine.

Ce précis devrait aussi leur donner l’envie de compléter leur compréhension des mécanismesdu vivant par la lecture d’autres ouvrages spécialisés.

Jean Figarella reprenait, à la fin de la préface de l’édition précédente, la citation suivante duprofesseur André Calas, faisant parler la physiologie : « Dans l’enseignement, rétablissez-moien premier cycle au moment où l’on motive les étudiants et où l’on peut encore leur faire ad-mirer la splendeur de la tapisserie avant qu’ils ne passent des années à en décortiquer latrame… » Elle trouve ici une fois encore toute son actualité et mérite toute sa place.

Françoise Guillet Inspectrice générale de l’Éducation nationale

Biotechnologies et sciences médicosociales Groupe des sciences et technologies du vivant, de la santé et de la terre

Préface | VII

Avant-propos

Nous avons décidé de proposer une nouvelle édition du Précis de Physiologie pour trois raisons.

La première tient aux observations qui ont suivi la première édition et qui concernaient essen-tiellement son illustration. Celle-ci, grâce à notre nouvel éditeur, a été entièrement refaite ethomogénéisée.

En deuxième lieu, l’évolution des connaissances depuis vingt ans a été exponentielle dans beau-coup de domaines, notamment grâce à la biologie moléculaire et elle a nécessité la réécriturepresque complète d’un chapitre comme l’endocrinologie.

Enfin, il ne nous a plus paru possible de négliger, dans un livre de physiologie, le système im-munitaire. Avec le système nerveux et le système endocrinien, il contribue à ériger un ensemblede cellules en organisme dont il défend l’intégrité vis-à-vis des agressions extérieures.

Nous avons ainsi ajouté à l’ouvrage un chapitre que Jean Figarella avait rédigé peu avant sondécès et qu’Henri-Jean Boulouis a bien voulu reprendre et finaliser. Nous avons souhaité mon-trer que les signaux intercellulaires et les mécanismes intracellulaires qu’ils déclenchent peuventêtre dans une large mesure communs à ces trois modes de communication et que ceux-ci sontcomplémentaires et convergents pour assurer le développement et la survie de l’individu commeceux de l’espèce.

Nous avons cependant tenu à rester au niveau d’un « précis de physiologie » et non d’un traitéde génomique fonctionnelle. Destiné notamment aux étudiants de bac +1 à bac +3 mais aussià la préparation des concours et aux enseignants, ce type d’ouvrage, à nos yeux, doit être à lafois condensé et exact, sans entrer dans le détail des expériences et de leurs possibles interpré-tations, au risque de paraître dogmatique.

Nous avons également tenu à rester physiologistes, c’est-à-dire à ne pas oublier, dans chaquerégulation étudiée, sa place et sa nécessité dans l’organisme entier. Les excellents traités actuelsde biochimie et de biologie cellulaire (dont les limites respectives se chevauchent, voire seconfondent) permettront aux lecteurs de compléter leurs connaissances ou de satisfaire leurcuriosité quant aux mécanismes mis en œuvre au niveau intracellulaire ou intranucléaire.

Les auteurs

Avant-propos | IX

Sommaire

Liste des auteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

Préface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII

Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX

Sommaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XI

Liste des abréviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV

Chapitre 1 • L’organisme cellulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Membrane plasmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Cytosquelette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Réticulum endoplasmique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Appareil de Golgi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Lysosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Protéasome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Peroxysomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Mitochondries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

Noyau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Chapitre 2 • Le milieu intérieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Sang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Lymphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Chapitre 3 • Les tissus excitables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Potentiel de membrane et potentiel d’action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Neurotransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Contraction musculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Chapitre 4 • La ventilation pulmonaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Appareil respiratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Mécanique respiratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Contrôle de la ventilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Chapitre 5 • Cœur et circulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Présentation de l’appareil cardiovasculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Circulation systémique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Circulation pulmonaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Systèmes de régulation de la fonction cardiovasculaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Sommaire | XI

Chapitre 6 • La digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Données anatomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Phénomènes mécaniques et chimiques de la digestion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Absorption digestive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Régulation nerveuse et hormonale de la digestion gastro-intestinale . . . . . . . . . . . . . . 137

Chapitre 7 • Excrétion urinaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Anatomie : du rein au néphron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Mécanismes de la formation de l’urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

Rein et homéostasie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

Rein et élimination des déchets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Miction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Chapitre 8 • La reproduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Système reproducteur masculin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Système reproducteur féminin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

Physiologie du coït . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Grossesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

Contraception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

Chapitre 9 • Endocrinologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

Généralités sur le système endocrinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

Mécanismes d’action des hormones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

Biosynthèse, sécrétion, activation des hormones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

Élimination, inactivation des hormones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

Hormones et cybernétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209

Axes hypothalamus-hypophyse antérieure-glandes périphériques . . . . . . . . . . . . . . . . 213

Hormones libérées par le lobe postérieur de l’hypophyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

Pancréas endocrine et régulation de la glycémie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

Parathormone, calcitonine, vitamines D et équilibre phosphocalcique . . . . . . . . . . . . . 239

Cortex des surrénales et aldostérone ; aldostérone et système rénine-angiotensine. Médullosurrénales et catécholamines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244

Quelques informations brèves concernant d’autres glandes endocrines des vertébrés supérieurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

Médiateurs autocrines et paracrines, cytokines du système immunitaire, prostaglandines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252

Chapitre 10 • Le système immunitaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257

« Soi » et « non soi » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

Organes, cellules et molécules de l’immunité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

Immunité innée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

Immunité adaptative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271

Relation entre le SI ou son fonctionnement et les autres systèmes de l’organisme . . . . 278

XII | PRÉCIS DE PHYSIOLOGIE

Chapitre 11 • Le système nerveux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

Méthodes d’étude du système nerveux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

Système(s) nerveux et tissu nerveux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

Construction du système nerveux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

Moelle et réflexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

Motricité somatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

Introduction à la psychophysiologie sensorielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314

Un exemple de somesthésie : les sensibilités cutanées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317

Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

Autres organes des sens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

Système nerveux végétatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

Exemples d’intégrations nerveuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

Chapitre 12 • L’homéostasie et le temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

Homéostasie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

Homéostasie et vieillissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

Rythmes biologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

Pour aller plus loin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

Sommaire | XIII

2-3 DPG : 2-3 diphosphoglycérate

5-HT : sérotonine

Ach : acétylcholine

ADN : acide désoxyribonucléique

ADP : adénosine diphosphate

AMH : Anti-Müllerian Hormone (hormone anti-müllérienne)

AMPA : -amino3-hydroxy-méthylisoazol-4-priopionate

AMPc : adénosine monophosphate cyclique

ARN : acide ribonucléique

ARNm : ARN messager

ARNr : ARN ribosomique

ARNt : ARN de transfert

ATP : adénosine triphosphate

AVC : accident vasculaire cérébral

BHE : barrière hémato-encéphalique

BOLD : Blood Oxygen Level Dependent (dépen-dant du niveau d’oxygène)

CCK-PZ : cholécystokinine-pancréozymine

CGL : corps genouillé latéral

CGM : corps genouillé median

CIM : colonne intermédio-latérale de la moelle

CoA : coenzyme A

CP : phosphocréatine

CT : calcitonine

Da : Dalton

DBH : dopamine-bêta hydroxylase

DDC : DOPA-décarboxylase

DOPA : dihydroxyphénylalanine

EDTA : sel dipotassique de l’acide éthylène dia-mine tétraacétique

EEG : électroencéphalographie

Fc : fragment cristallisable des immunoglobu-lines

Fi : filament intermédiaire

FIVETE : fécondation in vitro et transfert em-bryonnaire

FMT : faisceau médian du télencéphale

FSH : Follicle Stimulating Hormone (hormonefolliculo-stimulante)

GABA : acide gamma-aminobutyrique

GCS : ganglion cervical supérieur

GDP : guanosine diphosphate

GFAP : Glial Fibrillary Acidic Protein (protéinegliofilamenteuse ou gliofibrillaire acide)

GIP : Gastric Inhibitory Peptide

Glut : transporteurs du glucose

GMPc : guanosine monophosphate cyclique

GnRH: Gonadotropin Releasing Hormone (go-nadolibérine)

Go : appareil de Golgi

GTP : guanosine triphosphate

HCG : hormone chorionique gonadotrope

HPLC : chromatographie liquide à haute per-formance

IAC : insémination artificielle intra-utérine avecsperme du conjoint

IAD : insémination artificielle avec don desperme

ICSH : Insterstitial Cells Stimulating Hormone

IMP : inosine-monophosphate

IRM : iImagerie par résonance magnétique

IRMf : IRM fonctionnelle

KA : kaïnate

LCR : liquide céphalo-rachidien

LDL : Low Density Lipoprotein (lipoprotéines debasse densité)

LH : Luteinizing Hormone (hormone lutéini-sante)

MAO : monoamine oxydase

MEG : magnétoencéphalographie

Liste des abréviations | XV

Liste des abréviations

mGluR : récepteur métabotropique du gluta-mate

MR : membrane de Reissner

NA : noradrénaline

NAD : nicotinamide adénine dinucléotide

NADH : nicotinamide adénine dinucléotide ré-duit

NADP : nicotinamide adénine dinucléotidephosphate

NADPH : nicotinamide adénine dinucléotidephosphate réduit

NIL : noyau intralaminaire (thalamus)

NK : neurokinine

Nm : nanomètre

NMDA : N-méthyl D-aspartate

NPV : noyau paraventriculaire

NPY : neuropeptide Y

NSC : noyau suprachiasmatique

Nt : neurotubule

Nu : nucléole

OS : orthosympathique

PA : potentiel d’action

PAH : acide para-aminohippurique

PALM : Photoactivated localization microscopy(microscopie par localisation photoactive)

pCO2 : pression partielle en dioxyde de car-bone

Pi : phosphate inorganique

PIA : protéine induite par l’aldostérone

PIF : Prolactin Inhibiting Factor

pO2 : pression partielle en dioxygène

PPSE : potentiel postsynaptique excitateur

PPSI : potentiel postsynaptique inhibiteur

PS : parasympathique

PTH : parathormone

REL : réticulum endoplasmique lisse

Rer ou REG : réticulum endoplasmique ru-gueux

RMN : résonance magnétique nucléaire

RS : réticulum sarcoplasmique

SIF : Small Intensely Fluorecent (cells) (petitescellules intensément fluorescentes)

SL : Sulcus limitans

SNC : système nerveux central

SNE : système nerveux entérique

SNP : système nerveux périphérique

SNV : système nerveux végétatif

STED (microscopy) : Stimulated Emission Deple-tion (déplétion par émission stimulée)

TDF : Testis Determining Factor

TEP : tomographie à émission de positons

TH : tyrosine-hydroxylase

TSH : Thyroid-Stimulating Hormone (thyréosti-muline)

VA : (noyau) ventral antérieur (du thalamus)

Vcd : vésicule à cœur dense

VIP : Vasoactive Intestinal Peptide (peptide in-testinal vasoactif)

iVL : (noyau) ventro-latéral (du thalamus)

VPL : (noyau) ventro-postéro-latéral (du thala-mus)

Vs : vésicule synaptique

ZA : zone active

Za : Zonula adherens

Zo : Zonula occludens

XVI | PRÉCIS DE PHYSIOLOGIE

Tout organisme est fait de cellules. Son fonc-tionnement comme ses dysfonctionnementstrouveront donc leur origine ou se refléterontdans la physiologie ou la pathologie cellulairesainsi que dans les communications entre lescellules, qui sont assurées par trois grands sys-tèmes d’intégration : nerveux, endocrinien etimmunitaire. Si ces systèmes de communica-tion assemblent les cellules en organisme, lacellule elle-même constitue une unité fonc-tionnelle intégrée dans laquelle l’on retrouveen miniature les mêmes aspects de nutrition,de communication, de régulation et d’adap-tation qu’à l’échelon de l’organisme entier. Ilest donc légitime de parler de physiologie cel-lulaire et de l’aborder soit par le biais de cesfonctions, soit, comme nous le ferons ici, parcelui des organites qui les sous-tendent et quisont partiellement spécialisés dans certainesd’entre elles. Le chapitre qui va suivre seraconsacré à une étude cytofonctionnelle desorganites cellulaires et de leurs interrelations.

Il ne vise pas à résumer les traités de biologiecellulaire mais à fournir au lecteur le cadre élé-mentaire des régulations que l’on retrouveraà l’échelle de l’organisme entier.

Même en se limitant à la cellule eucaryote ani-male et interphasique, c’est-à-dire entre deuxmitoses, il importe de définir le modèle cellu-laire étudié puisque, du fait de la spécialisa-tion parfois extrême des cellules au sein destissus, leurs organites seront plus ou moins re-présentés, voire absents (figure 1.1). Ainsiprendra-t-on comme exemple une cellule« idéale » qui n’existe pas mais dans laquellefigureront les caractéristiques de la plupartdes espèces cellulaires qui, au sein d’un orga-nisme, possèdent toutes la même informationgénétique (figure 1.2). Par ailleurs, cette or-ganisation décrite ci-dessous est un « instan-tané » d’un agencement dynamique enperpétuel remaniement. Même dans les cel-lules postmitotiques qui ne se divisent plus,

L’organisme cellulaire | 1

Chapitre 1L’organisme cellulaire

Fig. 1.1 • Différents types decellules sécrétoires dans lapréhypophyse de rat. La va-riété des grains de sécrétion(nombre, taille, densité) sou-ligne la diversité des typescellulaires. V : vaisseau sanguinfenêtré (cliché A. Calas).

comme les neurones, il y a, sauf pour l’ADN,un flux dynamique permanent qui aboutit àun renouvellement constant des moléculesconstitutives de la cellule.

Le premier organite commun à toutes les cel-lules d’un organisme animal est celui quicontient et délimite l’espace cellulaire : lamembrane plasmique.

• Membrane plasmiqueEn poursuivant l’analogie avec un organismeentier, la membrane plasmique pourrait êtrecomparée à la peau mais elle présente des ca-ractéristiques supplémentaires ou particu-lières : elle assure et contrôle les échanges dematériaux et d’information dans les deux sensavec le milieu environnant (dans les orga-nismes évolués, « le milieu intérieur ») ainsiqu’avec les autres cellules au sein d’un tissu.Elle contribue également à maintenir maisaussi à définir l’identité de la cellule, le « soicellulaire ». Plusieurs caractères structuraux etbiochimiques de la membrane plasmique (ouplasmalemme) sont communs avec d’autrestypes de membranes des organites intracellu-laires de telle sorte que l’on peut définir une

espèce de dénominateur commun : la mem-brane unitaire ou unit membrane.

Une membrane unitaire a pu être définiecomme une mosaïque fluide (Singer et Nicholson) dans laquelle une bi-couche phos-pholipidique constitue une sorte de solvant àdeux dimensions pour d’autres molécules ouassemblages protéiques et lipidiques (fi-gure 1.3).

Bicouche phospholipidique et propriétés de perméabilité

La bicouche lipidique est un assemblagespontané de molécules de phospholipides quiprésentent une extrémité polaire ou chargéeet une longue queue apolaire ou hydrophobe.La « tête » polaire est constituée, dans lesphospholipides, du résidu glycérol, d’un grou-pement phosphate et, souvent, de la chargepositive d’un résidu choline (phosphatidyl-choline). La queue apolaire, ou hydrophobe,est constituée de la chaîne hydrocarbonée desacides gras. Parmi les autres lipides membra-naires, on trouve, en outre, du cholestéroldans lequel le groupement polaire est repré-senté par l’hydroxyle en position 3 sur le

2 | PRÉCIS DE PHYSIOLOGIE

filamentsintermédiaires

desmosome

membrane plasmique

espaceintercellulaire

mitochondrie

globule lipidique

ribosomes libres

lysosome

appareil de Golgi

ribosomesliés

réticulumendoplasmiquegranuleux

noyau

microtubules

centrosomeformé de2 centrioles

réticulumendoplasmiquelisse

Fig. 1.2. • Schéma de principe d’une cellule animale. Principales structures retrouvées dans la plupartdes cellules humaines. Toutes les structures ne sont pas à la même échelle.

noyau stérol. La présence de cholestérol dansles membranes contribue à diminuer leur flui-dité, à augmenter leur stabilité mécanique et,à basse température, à empêcher leur rigidi-fication. Le cholestérol est particulièrementabondant dans les radeaux lipidiques (lipidrafts) riches également en protéines impli-quées dans la transduction des signaux (en-cadré de la figure 1.3).

On peut visualiser la bicouche lipidique desmembranes au microscope électronique aprèstraitement par le tétroxyde d’osmium : deuxfeuillets sombres osmiophiles (les têtes po-

laires) entourent un feuillet clair (chaînes ali-phatiques). Les liposomes sont des vésiculesartificielles formées d’une bicouche phospho-lipidique (figure 1.4) dont on peut étudier laperméabilité à différentes molécules. La bi-couche phospholipidique est perméable auxgaz (O2, CO2, mais aussi le médiateur NO) etaux substances globalement hydrophobes(c’est ainsi que les stéroïdes, des anesthé-siques ou l’héroïne ont un accès rapide auxcellules nerveuses). Les petites molécules nonchargées présentant un groupement polairecomme l’eau, l’éthanol ou l’urée traversent


chaîne glucidiqued’un glycolipide

chaîne glucidiqued’une glycoprotéine

protéine extrinsèqueextracellulaire

chaîne polypeptidiquetransmembranaire

protéine extrinsèqueintracellulaire

protéine transmembranaire

queue apolairetête polaire

bicouche lipidique

radeau lipidique

glycophospholipides

cholestérol

A

B

Fig. 1.3. • Schéma d’organisation d’une membrane cellulaire. A. Modèle de la mosaïque fluide. B. Pré-sentation d’une différenciation de la membrane : un radeau lipidique.

généralement librement la bicouche. En re-vanche, la perméabilité est quasi nulle pourtoutes les molécules chargées, ions minérauxet acides aminés, et pour toutes les moléculespolaires plus grosses que l’éthanol comme leglucose, le fructose...

Sur le plan appliqué, les liposomes sont trèsutilisés actuellement dans les nanotechnolo-gies pour décharger, au sein des cellules, desmédicaments ou d’autres molécules activesenfermées dans le cœur aqueux.

Protéines membranairesDe nombreuses protéines sont associées à lamembrane cellulaire. Il existe différentes mo-dalités d’association (figure 1.5). Les pro-téines intrinsèques transmembranairesprésentent des segments transmembranaireshydrophobes au niveau du cœur hydrophobede la bicouche phospolipidique et exposentleurs domaines hydrophiles sur les deux facesde la membrane. Certaines protéines périphé-riques sont associées à la membrane par liai-son covalente à un lipide (par exemple, unacide gras) qui les ancre à la surface de sa faceinterne. D’autres protéines sont ancrées sur la

face externe de la membrane grâce à leur liai-son covalente à un glycophospholipide. Enfin,certaines protéines sont associées à la mem-brane par interactions faibles avec d’autresprotéines transmembranaires.


tête polaire

queue apolaire(chaîne aliphatique)

bicouche lipidique

diffusion d’un soluté(flux net)

compartimentinterneaqueux

Fig. 1.4. Structure d’un liposome. Il a été obtenupar sonication d’une suspension de lipide (phos-phatidylcholine) dans l’éthanol avec la substancehydrosoluble dont on veut étudier la diffusiontransmembranaire.

1

2

3

4

5

6

Fig. 1.5. Protéines membra-naires. 1 et 2 : protéinestransmembranaires. Les do-maines transmembranairessont hydrophobes et ont sou-vent des motifs secondairesen hélice alpha. 3 : protéineacylée ancrée à la surface dela face interne de la mem-brane. La chaîne lipidique hy-drophobe est liée par liaisoncovalente à la protéine. 4 :protéine ancrée à la surfacede la face externe de la mem-brane par un motif glyco-phospholipide. Les deuxchaînes lipidiques hydro-phobes du motif glycophos-pholipide lié par liaisoncovalente au squelette pro-téique sont représentées ennoir. 5 et 6 : protéines péri-phériques (ou extrinsèques)associées à la membrane parinteractions faibles avec uneprotéine transmembranaire.

Du côté intracellulaire, certaines protéinesmembranaires sont liées à des protéines fila-menteuses qui constituent un squelette mem-branaire. Celui-ci sous-tend l’ensemble de lamembrane et lui permet, comme dans le casdu globule rouge, de supporter les déforma-tions mécaniques infligées par l’environne-ment. Il s’agit ici de molécules de spectrinequi constituent un réseau sous l’ensemble dela surface cellulaire. À certains nœuds de ceréseau, un enchaînement complexe de pro-téines assure la jonction avec des élémentsprotéiques membranaires.

Les domaines extracellulaires des protéines etcertains lipides portent fréquemment des ré-sidus glucidiques en chaînes ramifiées quiconstituent le cell-coat ou glycocalyx. Celui-ciintervient dans les phénomènes de reconnais-sance, d’adhésion cellulaire et de réception designaux intercellulaires.

Transports transmembranaires passifsLes transports transmembranaires passifs s’ef-fectuent dans le sens du gradient électro -chimique. Il en existe plusieurs types (figure1.6).

Les molécules qui traversent librement la bi-couche phospholipidique (voir supra) diffu-sent selon leur gradient : c’est la diffusionsimple.

Le transport passif par protéine-canal met enœuvre des perméases transmembranaires par-ticulières. Lorsqu’elles sont ouvertes, elles for-ment un pore sélectif qui permet le passagede tel ou tel ion dans le sens de son gradientélectrochimique. De nombreux canaux sontutilisés par les systèmes de communicationscellulaires. Citons les canaux à sodium vol-tage-dépendants à l’origine des potentielsd’action des cellules excitables (voir le chapi-tre 3, p. 43) ou les canaux ioniques ligand-dé-pendants comme le récepteur nicotinique del’acétylcholine qui s’ouvre au sodium aprèsavoir lié l’acétylcholine (voir le chapitre 3,p. 43).

Le transport passif par transporteur utilise uneperméase membranaire qui fixe spécifique-ment la molécule à transporter d’un côté dela membrane et la transfère de l’autre côtédans le sens du gradient électrochimique.C’est la diffusion facilitée la plus classique, ca-ractérisée par sa saturabilité. Citons, parexemple, la famille des transporteurs au glu-cose, les GLUT (voir aussi le chapitre 9,p. 189).

Transports membranaires actifsLes transports actifs sont réalisés contre legradient électrochimique de la substancetransportée et nécessitent le couplage avec un


1 2 3

Fig. 1.6. Transports membranaires passifs. 1 : diffusion simple à travers la bicouche lipidique.2 et 3 : diffusions facilitées. Les diffusions facili-tées sont réalisées dans le sens du gradient élec-trochimique de la molécule transportée. Legradient électrochimique a une composante liéeau gradient de concentration de part et d’autrede la membrane à laquelle se superpose uneéventuelle composante liée à la différence de po-tentiel membranaire pour les molécules chargées.La composante liée au potentiel membranaireest fondamentale dans l’établissement du gra-dient de diffusion des ions (voir chapitre 3, p. 43). 2 : Transport sélectif passif par canal io-nique. Le canal, lorsqu’il est ouvert, permet la dif-fusion sélective transmembranaire de tel ou telion. 3 : transport passif par transporteur. La per-méase reconnaît et lie une molécule puis la trans-porte de l’autre côté de la membrane dans le sensdu gradient électrochimique.

apport d’énergie : soit l’enthalpie libre d’hy-drolyse de l’ATP en ADP et phosphate, soitl’enthalpie libre liée au cotransport d’uneautre molécule présentant un fort gradientélectrochimique. Dans le premier cas, on parlede transporteur actif ATPasique (ou primaire).Dans le second, on parle de transport actif àcotransport ou de transport actif secondaire.On distingue alors deux sous-catégories, lessymports et les antiports (figure 1.7).

La pompe Na+/K+ ATPase est l’exemple typedu transporteur actif primaire. L’hydrolysed’un ATP en ADP + Pi est couplée au transfert,contre leur gradient électrochimique, de3 Na+ de l’intérieur de la cellule vers l’espaceextracellulaire et de 2 K+ de l’extérieur versl’intérieur (voir chapitre 3, p. 43 et chapitre 6,p. 121).

Le cotransporteur Na+/glucose de la bordureen brosse des entérocytes est un exemple detransport secondairement actif de type sym-port. Il permet le transfert apical de glucosedans l’entérocyte : l’entrée de sodium, dansle sens de son gradient électrochimique, estcouplée à l’entrée du glucose contre son gra-dient (voir chapitre 6, p. 121).

Endocytose et exocytoseLes récepteurs membranaires peuvent êtreimpliqués dans les phénomènes d’endocytoseet d’exocytose. Ces mécanismes, grâce aux-quels la cellule peut capter des nutriments etdivers éléments figurés et en éliminer ou ensécréter d’autres, sont continus : de façonpermanente, des vésicules contenant desconstituants membranaires voyagent de l’ap-pareil de Golgi jusqu’à la membrane plas-mique qu’elles contribuent à renouveler.D’autres molécules seront sécrétées, enconstituant des éléments du cell coat ou de lamatrice extracellulaire ou bien en étant relar-guées dans le milieu (neuromédiateurs) et, delà, dans le sang (hormones). Le phénomèned’exocytose implique l’accolement puis la fu-sion des deux faces cytoplasmiques de lamembrane et des vésicules. La membrane in-corporée doit être récupérée par endocytose.Celle-ci n’est pas l’inverse de l’exocytosepuisque les surfaces qui s’accolent sont noncytoplasmiques. Suivant la taille des vésiculesformées, on distinguera la pinocytose pourl’ingestion de fluides et de solides de petite

taille aboutissant à des vésicules de pinocy-tose (inférieures à 150 nm) et la phagocytose,ingestion de grosses particules comme desmicro-organismes ou des débris cellulaires parde grandes vésicules appelées phagosomesou vacuoles. Ce dernier mécanisme est l’apa-nage des cellules phagocytaires. La plupartdes particules et molécules ingérées sont fu-sionnées en organites intermédiaires limitéspar une membrane, les endosomes. Ceux-cipeuvent à leur tour fusionner avec les lyso-somes.

L’endocytose débute dans des régions spécia-lisées de la membrane par des dépressions(puits recouverts de clathrine) qui s’invaginentrapidement pour donner des vésicules revê-tues dans lesquelles la clathrine constitue unréseau fibrillaire, une cage autour de la vési-cule. Ces vésicules revêtues sont très transi-toires ; en quelques secondes elles perdentleur revêtement et peuvent fusionner avec desendosomes.


Fig. 1.7. Transports membranaires actifs. Le trans-port est réalisé contre le gradient électrochi-mique. 1 : transport actif dit primaire. Lecouplage avec l’hydrolyse de l’ATP en ADP et Pipermet le transport. L’enthalpie libre d’hydrolysede l’ATP est très négative. Le couplage avec letransport contre le gradient est possible car l’en-thalpie libre globale est négative. 2 et 3 : trans-ports actifs à cotransport. C’est l’enthalpie libretrès négative liée au passage d’une molécule quiest couplée au transport de l’autre moléculecontre son gradient. 2 : symport. Les deux trans-ports sont dans le même sens. 3 : antiport. Lesdeux transports sont de sens opposé.

ATP

ADP + Pi

1 2 3

La présence de récepteurs sur la membraneconduit à une endocytose spécifique qui pré-sente une étape supplémentaire : la liaison dela macromolécule au récepteur de la surfacemembranaire. Ces récepteurs peuvent êtrespécifiques d’une hormone, d’immunoglobu-lines, de micelles de cholestérol (LDL, LowDensity Lipoprotein) (figure 1.8). Ce systèmeest un mécanisme de concentration sélectivequi augmente l’efficacité de l’internalisationde certains ligands sans ingestion du volume

correspondant de liquide extracellulaire. Cetteliaison à des récepteurs membranaires se re-trouve aussi dans la phagocytose : ainsi, parexemple, les anticorps qui entourent unmicro-organisme ont leurs fragments Fc re-connus par des récepteurs spécifiques à lasurface des macrophages et des neutrophiles.Cette liaison induit la cellule à émettre despseudopodes qui englobent la particule et fu-sionnent pour former un phagosome (fi-gure 1.9).


Fig. 1.8. Endocytose par ré-cepteur. Les LDL (Low DensityLipoproteins) contenant lesesters du cholestérol sont re-connus grâce à un motif desurface spécifique (A) par unrécepteur membranaire.Cette liaison provoque l’inva-gination locale de la mem-brane grâce à la clathrine(puits recouverts). Enquelques secondes, se formela vésicule d’endocytose (B)qui perd secondairement saclathrine (C) puis fusionneavec un endosome (D). L’hy-drolyse des esters du choles-térol puis sa libération ontlieu dans les lysosomes (E)tandis que le recyclage desrécepteurs se fait par bour-geonnement (F) de l’endo-some en vésicules detransport qui fusionnentavec la membrane (G).

A

B

C

membraneplasmique

pseudopode

phagosome

phagolysosome

lysosome

autophagolysosomemitochondrie

reticulumendoplasmique

endosome

Golgi transport des hydrolaseset de protéines membranaires

endolysosome

LDL

A

B

C

D

E

F

G

récepteur LDL

enzymes hydrolytiques

membrane plasmique

endosomevésiculerevêtue

cholestérollibre

lysosome

Fig. 1.9. Trois voies de diges-tion intracellulaire. A : endo-cytose. B : phagocytose. C :autophagie. Les bicouchesmembranaires sont ici repré-sentées par un simple trait.

Membrane cellulaire et communications par molécules informativesextracellulairesLa plupart des messagers utilisés par les sys-tèmes de communication intercellulaire (sys-tème nerveux, endocrinien et immunitaire)sont des dérivés d’un acide aminé, des pep-tides ou des protéines qui ne passent pas lamembrane cellulaire. Les récepteurs sont desprotéines transmembranaires qui lient le mes-sager. La transduction est la transmission dumessage « récepteur occupé » vers l’intérieurde la cellule puis vers les structures effectricesde la réponse. Les systèmes de réception etde transduction membranaire sont communsaux diverses communications cellulaires : neu-rotransmission, communications endocrines, signaux de position au cours du développe-ment, signaux de contrôle de prolifération,messagers du système immunitaire et mêmesignaux d’apoptose. La molécule informativese lie de façon biospécifique au récepteur auniveau d’un site de fixation situé évidemmentsur un segment extracellulaire de la protéine.Le changement de conformation qui s’ensuitaffecte le domaine intracellulaire du récepteuret déclenche une cascade de réactions intra-cytoplasmiques.

Le cas des récepteurs canaux (canaux ioniquesligand-dépendants) est traité dans le chapi-tre 3.

Très souvent, la transduction a pour consé-quence l’activation d’une ou plusieurs protéines kinases intracellulaires qui phospho-rylent des protéines cibles. C’est la modifica-tion d’activité de ces protéines, conséquencede leur phosphorylation, qui déclenche uneréponse cellulaire spécifique à la molécule in-formative. Les réponses peuvent être de typemétabolique (un abus de langage pour signi-fier que l’activité de certaines protéines en-zymes ou transporteurs est modifiée) outranscriptionnel. Le nombre de procédés detransmission de l’information vers les pro-téines kinases est très restreint : récepteur in-directement couplé à une protéine kinase viaune protéine G, récepteur directement coupléà une protéine kinase, récepteur à activité ki-nase ou récepteur catalytique guanylate cy-clase. Ces procédés sont détaillés dans le

chapitre 9 (p. 189) mais sont aussi illustrésdans les chapitres 3, 9, 10 et 11. Ils sont com-muns aux trois systèmes de communicationcellulaire, nerveux, endocrinien et immuni-taire.

Les messagers qui passent librement la mem-brane, comme les hormones stéroïdes ou lemonoxyde d’azote, sont dans une situationdifférente. Nul besoin de récepteur membra-naire, les récepteurs sont intracellulaires.Ainsi, les récepteurs aux hormones stéroïdes,activés par la liaison avec l’hormone, sont desfacteurs de transcription de l’ADN du noyau(voir chapitre 9, p. 189).

Jonctions intercellulairesParmi les différenciations particulières desmembranes plasmiques au sein des tissus, ilfaut noter celles qui apparaissent aux pointsde contact d’une cellule avec ses voisines ouavec la matrice extracellulaire sous-jacente.Différents types de jonctions intercellulairesont été identifiés :– les jonctions serrées ou zonula occludens

qui constituent des bandes faisant le tourde la cellule : ces jonctions sont trouvéesdans les épithéliums qui séparent deux mi-lieux de composition chimique différente(figure 1.10). Elles assurent le scellementdes membranes en regard grâce à un réseauanastomosé de rangées de protéines trans-membranaires qui se contactent pour fer-mer l’espace intercellulaire. Ces zonulabloquent la diffusion intercellulaire des so-lutés mais également les mouvements intra-membranaires des protéines, ce qui permetà la cellule de présenter des domaines fonc-tionnels différents, par exemple à son pôleapical et à son pôle basal ;

– les jonctions communicantes ou lacunaires(gap junctions) : elles apparaissent commele rapprochement de deux membranes voi-sines, ne laissant entre elles qu’un mince intervalle (gap) de 2 à 4 nm (figure 1.10).De part et d’autre de cet espace, des assem-blages protéiques transmembranaires, ap-pelés connexons, sont alignés les uns enface des autres. Constitués de six sous-uni-tés protéiques, ils forment des canaux d’en-viron 1,5 nm de diamètre qui sontperméables aux substances hydrophiles demasse moléculaire allant jusqu’à 1 500 Da.


Ces structures relient physiologiquement lescytoplasmes de deux cellules voisines et as-surent donc un couplage métabolique entreles cellules contiguës. Dans les cellules exci-tables, elles permettent également un cou-plage électrophysiologique pouvant aboutirà une synchronisation, par exemple lors dela contraction du muscle lisse ou du myo-carde. Dans les neurones, elles constituentles « synapses électriques » (voir chapi-tre 3) ;

– les jonctions d’ancrage : on peut distinguerles zonula adherens formant un ruban

continu autour des cellules épithéliales et lesdesmosomes (macula adherens) qui consti-tuent des « boutons pression » entre deuxcellules voisines (voir figure 1.2). Ces struc-tures sont composées de glycoprotéinestransmembranaires qui interagissent, parleur domaine extracellulaire, soit avec la ma-trice extracellulaire (hémi-desmosomes), soitavec les domaines correspondants des pro-téines transmembranaires de la cellule voi-sine. Ces dernières sont elles-mêmes liées àdes protéines d’attachement intracellulairequi connectent la structure de jonction auxéléments du cytosquelette : microfilamentsd’actine pour les zonula adherens, filamentsintermédiaires pour les desmosomes (fi-gure 1.11). Les jonctions d’ancrage n’em-pêchent pas les diffusions intercellulairesmais elles répartissent, sur l’ensemble d’untissu, les déformations mécaniques qu’ilsubit. Elles contribuent à constituer des élé-ments du cytosquelette en un véritable ré-seau transcellulaire.

• CytosqueletteLe cytosquelette est constitué de trois typesde structures : outre les microfilaments d’ac-tine et les filaments intermédiaires de kératine(cellules épidermiques) ou de vimentine (cel-lules mésenchymateuses) ou encore de des-mine (cellules musculaires), on observe


Fig. 1.10. Différents types de jonctions intercellu-laires. A : micrographie de jonctions communi-cantes entre des fibres musculaires lisses del’intestin (flèches) (cliché J. Taxi). B : complexe dejonction entre deux cellules épendymaires du cer-veau. Z : zonula adherens ; Zo : zonula occludens oujonction serrée (cliché A. Calas).

Fig. 1.11. Micrographie d’un desmosome entredeux cellules gliales. Fi : filaments intermédiaires(cliché J. Taxi).

également des microtubules qui sont des bâ-tonnets creux formés de polymères de tubu-line (voir figure 1.2). Si les filamentsintermédiaires sont stables, les microtubuleset les microfilaments sont des structures dy-namiques en perpétuel réarrangement : desmonomères sont constamment ajoutés à uneextrémité (+) tandis que l’extrémité (–) se dé-polymérise. Les microtubules jouent un rôlede guide dans les mouvements des organitesintracellulaires et ils constituent aussi le réseaumitotique situé entre les centrosomes aucours de l’anaphase. Les microfilaments d’actine assurent certains mouvements, eux-mêmes en liaison avec la myosine (mouve-ment amiboïde, cytocinèse). Les filamentsintermédiaires contribuent plutôt à la stabilitéstructurale de la cellule. En fait, ces trois typesde structures, comme les protéines qui lesconstituent, sont réunis entre eux par d’autreséléments protéiques variables qui les consti-tuent en un réseau structural et fonctionnel.Leur contribution aux différents mouvementscellulaires leur assigne, outre le rôle de cytos-quelette, celui de cytomusculature particuliè-rement développé dans des cellulesspécialisées (voir chapitre 3).

En plus de ces éléments figurés, le hyalo-plasme ou cytosol, milieu fondamental de lacellule, contient en solution de nombreusessubstances minérales (ions notamment) et or-ganiques (métabolites et enzymes solubles).Par ailleurs, le cytoplasme présente des sys-tèmes très complexes et anastomosés demembranes unitaires qui constituent diffé-rentes structures.

• Réticulumendoplasmique

Il représente plus de la moitié des membranescellulaires. Il forme, à travers toute la cellule,une sorte de filet qui enferme un seul espaceinterne : la lumière du réticulum. Sa mem-brane est donc continue et elle sépare le cy-tosol de la lumière en assurant un transportrapide et sélectif de certaines molécules entreles deux compartiments. L’enveloppe nu-cléaire n’est qu’une portion spécialisée du ré-ticulum. Si le réticulum porte des ribosomes(sur la face cytoplasmique des saccules), ilconstitue le réticulum granulaire ou rugueux(RER) ou encore ergastoplasme (REG). S’il neporte pas de ribosomes, il est dit agranulaireou lisse (REL) (figure 1.12).

Le réticulum rugueux est formé d’empile-ments de sacs aplatis particulièrement abon-dants dans les cellules glandulaires ounerveuses (où il constitue les corps de Nissl).Le réticulum lisse est un réseau tridimension-nel de tubes, très abondant dans les cellulesimpliquées dans le métabolisme des lipidescomme les hépatocytes ou les cellules stéroï-dogènes.

Les ribosomes, organites particulaires d’undiamètre moyen de 25 nm, peuvent être sub-divisés en deux sous-unités inégales. Ils sontconstitués d’acides ribonucléiques riboso-maux (ARNr) et de protéines. Les ribosomesfonctionnels forment des polysomes qui com-prennent jusqu’à plusieurs dizaines de ribo-somes réunis par un fin filament d’ARN


Fig. 1.12. Coupe « épaisse »(1 μm) en microscopie élec-tronique d’un neurone del’hypothalamus montrant lacontinuité des citernes du ré-ticulum endoplasmique entreelles et avec l’enveloppe nu-cléaire sur laquelle l’on dis-tingue les pores nucléaires.Les ribosomes ne sont pas misen évidence par cette tech-nique (cliché A. Calas).

messager (ARNm). Les polysomes peuventêtre libres dans le cytoplasme ou attachés auréticulum. Dans le premier cas, ils sont sou-vent en spirale, la petite sous-unité étant tour-née vers l’intérieur. Dans le second, la grossesous-unité est orientée vers la membrane dusaccule et l’attachement se fait par la chaînepeptidique en cours de synthèse. La mem-brane du réticulum endoplasmique est richeen protéines enzymatiques. Elles assurent plu-sieurs activités métaboliques importantesavec, en premier lieu, la synthèse et la ségré-gation des protéines exportables et membra-naires.

Les polysomes libres dans le cytoplasme etceux liés au réticulum rugueux ne formentpas, en effet, les mêmes protéines :– les polysomes libres interviennent dans la

synthèse des protéines destinées à resterdans le cytoplasme ou, au moins, dans lacellule (histones des noyaux, la plupart desprotéines mitochondriales) ;

– les polysomes liés à la membrane du réticu-lum interviennent dans la synthèse des pro-téines de sécrétion de la plupart desprotéines membranaires et de celles desti-nées aux lysosomes.

Le réticulum lisse assure le stockage et le re-largage du calcium, messager intracellulairefondamental.

Les enzymes du réticulum endoplasmiquelisse interviennent dans le métabolisme des li-pides : biosynthèse des phosphatidates, dés-aturation des acides gras et biosynthèse ducholestérol.

Ils assurent aussi des réactions de détoxifica-tion (de l’alcool, par exemple), particulière-ment spectaculaires dans les cellules du foie.Après intoxication par le phénobarbital, onconstate une hypertrophie du réticulum en-doplasmique lisse dans lequel une réductasedépendante du NADPH (nicotinamide adé-nine dinucléotide phosphate) va assurer l’hy-droxylation de la drogue qui sera ensuiteconjuguée avec l’acide glycuronique et excré-tée dans la bile.

En ce qui concerne le métabolisme des glu-cides, la glucose-6-phosphate-phosphatasedu réticulum endoplasmique des hépatocytesachève la libération de glucose à partir du gly-cogène qui est dépolymérisé dans le réticulumlisse.

Mais le réticulum assure aussi des glycosyla-tions par transfert d’un groupe de résidus osi-diques à un accepteur, protéine ou lipide.Cette addition de groupements glucidiquesconcerne les protéines exportables ou mem-branaires ; elle se fait par transfert « en bloc »d’une chaîne saccharidique construite aupréalable sur un lipide particulier de la paroidu réticulum, le dolichol. L’« arbre » glycosi-dique ainsi transféré sur l’azote d’un résiduasparagine commence à être « raboté » dansle réticulum et ce traitement se poursuit dansl’appareil de Golgi.

• Appareil de GolgiCet organite a été d’abord décrit par C. Golgidans les neurones après imprégnation métal-lique comme un appareil réticulaire interne.Dans d’autres cellules, il apparaît sous formed’« écailles » séparées, les dictyosomes, quiprésentent une face chromophile (colorablepar les sels métalliques), ou cis, ou encore facede formation, et une face chromophobe, outrans (figure 1.13). La microscopie électro-nique et les coupes fines qu’elle exige ont fa-vorisé cette deuxième représentation(figure 1.14).

Ensuite, la possibilité d’observer au micro-scope électronique des coupes plus épaisses(1 μm), notamment après imprégnation parle tétroxyde d’osmium de la face de forma-tion, a permis de retrouver l’aspect réticulairedécrit par Golgi. S’il y a donc anastomose etcontinuité entre les faces de formation, il y au-rait seulement contiguïté entre celles-ci et leréticulum endoplasmique, et entre les diffé-rents saccules (4 à 8) constituant un dictyo-some. La communication entre ces structuresdiscontinues s’effectue par l’intermédiaire devésicules qui bourgeonnent à partir d’un sac-cule et fusionnent avec le suivant (fi-gure 1.15) grâce au manteau dont elles sontrecouvertes et qui est formé de complexesprotéiques, les coatomères. Il y a, de ce fait,une polarité de l’appareil de Golgi depuis laface de formation proche du réticulum (facecis) jusqu’à la face de maturation (face trans).

La membrane de l’appareil de Golgi com-prend de nombreuses enzymes dont certainescommunes avec le réticulum endoplasmiqueet d’autres distribuées de façon particulière


sur les différents saccules : ainsi, la phospha-tase acide est sur la face trans. L’appareil deGolgi intervient essentiellement dans le tri etdans l’achèvement de la glycosylation desprotéines : dans les deux sacs cis, des groupe-ments phosphates sont ajoutés aux moléculesde mannose des glycoprotéines destinées auxlysosomes. Cette phosphorylation est le signalpour l’acheminement vers les lysosomes deces protéines qui ne sont plus modifiées. Les

autres glycoprotéines sont traitées ensuitedans les sacs médians où des mannosidasesenlèvent des groupements mannoses, ne lais-sant subsister qu’un « cœur » oligo-sacchari-dique. Ensuite, dans les mêmes saccules, destransférases ajoutent des molécules de N-acé-tyl-glucosamine aux glycoprotéines qui vontêtre intégrées dans la membrane plasmiqueou sécrétées par exocytose. Dans un ou deuxsaccules trans, des molécules de galactose et


face trans

vésiculerecouvertede clathrine

vésicule (de transition)provenant du REL

face cis

lumièrede l’appareilde Golgi

Fig. 1.13. Organisation del’appareil de Golgi.

Fig. 1.14. Micrographie d’unneurone hypothalamique.Elle montre les citernes du ré-ticulum endoplasmique ru-gueux (RER) qui forment lescorps de Nissl et les dictyo-somes de l’appareil de Golgi(Go). Fm : fibre myélinisée ; Nu :nucléole ; Sa : synapse asymé-trique sur une épine dendritique(Ed) (cliché A. Calas).

d’acide sialique sont ajoutées, toujours pardes transférases, en fonction de la nature dela chaîne polypeptidique.

• LysosomesLes lysosomes sont des organites de taille va-riable pouvant présenter un contenu hétéro-gène surtout constitué d’hydrolases dontl’activité optimale est à pH acide : 3 à 6. L’en-zyme marqueur en cytochimie est la phospha-tase acide mais il y a aussi d’autres hydrolasesclivant les protéines, les lipides, les liaisons osi-diques ou les enchaînements nucléotidiques.Toutes ces enzymes sont des glycoprotéinesportant des mannoses phosphorylés qui se-raient le signal grâce auquel elles se rassem-blent dans des régions particulières dessaccules trans et du « réseau transgolgien »qui les prolonge pour se détacher ensuite etdonner des vésicules. Celles-ci sont revêtuespuis perdent leur clathrine et fusionnent avec

un compartiment intermédiaire, l’endolyso-some qui peut provenir des endosomes del’endocytose. Il a plusieurs sorts possibles : soitfusionner avec des vésicules de phagocytose(contenant par exemple de gros débris cellu-laires ou des bactéries) pour donner des pha-golysosomes, soit fusionner avec un secteurcytoplasmique préalablement isolé par unrepli du réticulum pour donner des vacuolesautophagiques ou cytolysosomes. Ces der-niers permettent à la cellule de se digérer elle-même et, par exemple, aux hépatocytes de sedébarrasser du réticulum endoplasmique lisseen excès après une intoxication par le phéno-barbital. L’évolution finale des lysosomes peutaboutir à une décomposition totale de leurcontenu en petites molécules qui repassentdans le cytoplasme et peuvent être réutiliséesou excrétées. Ainsi, les hormones thyroï-diennes sont-elles libérées de leur précurseuret sécrétées dans le milieu extracellulaire et,de là, dans le sang (voir chapitre 9). Mais ilpeut y avoir des éléments « indigestes »


membrane plasmiqueapicale

cytosol

Golgi

trans

cis

A B

C

jonction serrée

REL

vésicule de transition

ribosomes

enveloppenucléaire

REG

lysosome

Fig. 1.15. Trafic intracellulairedans une cellule glandulaire.Les protéines synthétiséesdans le réticulum endoplas-mique rugueux passent, pardes vésicules de transition,dans les sacs cis de l’appareilde Golgi. Elles cheminent en-suite par le même processusdans les saccules golgiens.Dans la sécrétion constitutive(A) (pour renouveler les li-pides et protéines de mem-brane et maintenir la matriceextracellulaire), des vésiculesissues des saccules golgienstrans et du réseau transgol-gien fusionnent avec la mem-brane basolatérale ouapicale. Différents consti-tuants vésiculaires contri-buent à la différenciationmembranaire qui est stabili-sée par les jonctions serrées.La sécrétion régulée (B)concerne les granules sécré-toires qui font ensuite l’objetd’exocytose au niveau de lamembrane apicale. Les lyso-somes sont également issusdes sacs trans de l’appareil deGolgi grâce à l’étiquetagespécifique de leurs enzymeshydrolytiques (C).

• MitochondriesLes mitochondries sont les centrales énergé-tiques de la cellule. Ce sont des petitessphères, des ellipses ou des bâtonnets tou-jours en mouvement et susceptibles de chan-ger de forme mais aussi de se scinder enbâtonnets plus courts qui peuvent refusion-ner. Leur nombre et le développement deleurs crêtes internes sont proportionnels àl’activité de la cellule et, au sein de celle-ci, àcelle de la zone considérée. Dans les cellulesintestinales, elles s’accumulent dans les régions apicales (où ont lieu beaucoup detransports transmembranaires) et, dans les

photorécepteurs, dans le segment interne oùsont concentrées les pompes ioniques.

La mitochondrie est limitée par deux mem-branes : – la membrane externe l’entoure complète-

ment ; – la membrane interne forme de nombreux

replis ou crêtes qui pénètrent à l’intérieur del’organite et augmentent considérablementla surface membranaire (figure 1.16).

Les deux membranes sont séparées par uncompartiment intermembranaire très étroit.Les crêtes peuvent être aplaties ou tubulaires(cellules stéroïdogènes). Elles portent des vé-sicules de 9 nm, attachées par un pédoncule,

comme les glycolipides ou certains métaux quiforment des corps résiduels. Les lysosomeschargés de tels composés restent définitive-ment dans la cellule où ils constituent des in-clusions, les lipofuscines. Dans les cellules quine se renouvellent pas, comme les neurones,l’accumulation de celles-ci constitue la signa-ture de l’âge de la cellule, c’est-à-dire de celuide l’individu.

• ProtéasomeLa dégradation des protéines dans les cellulesétait considérée comme principalement baséeautour des lysosomes jusqu’à la découverte

du protéasome, complexe protéique décela-ble seulement en microscopie électroniquedans le noyau et le cytoplasme, et en chargenotamment de l’élimination des protéines malconformées.

• PeroxysomesLes peroxysomes (ou microbodies chez lesmammifères) contiennent des enzymes d’oxy-dation, oxydases et catalase susceptibles dedétruire le peroxyde d’hydrogène (H2O2 ) trèstoxique. Ils assurent la détoxification de di-verses molécules comme l’éthanol.


Des organites encore énigmatiques : les « vaults »

On pouvait, à la fin du siècle dernier, estimer achevé l’inventaire des organites cellulaires. Mais ladécouverte, en 1986, de nouvelles grosses particules ribonucléoprotéiques, trois fois plus volu-mineuses que les ribosomes et présentes chez presque tous les eucaryotes, allait ouvrir à la re-cherche de leur rôle cytofonctionnel des pistes encore aujourd’hui peu explorées. Ces organitesen forme de tonneaux ont en coupe un aspect d’arches gothiques d’où leur nom de vaults ouvoûtes. Leurs protéines majeures sont bien conservées au cours de l’évolution ce qui suggère desfonctions importantes, de même que la parenté de certains de leurs constituants avec ceux desradeaux lipidiques. Ont ainsi été proposés un rôle dans l’immunité innée, dans les transferts àtravers les pores nucléaires dont les vaults épousent la forme ou encore une fonction dans la ré-sistance aux multi-chimiothérapies anticancéreuses au cours desquelles les vaults se multiplient,simultanément avec la résistance au traitement.

Les progrès dans la compréhension du rôle des vaults sont lents, peut-être parce qu’on ne lestrouve pas chez les principaux organismes modèles de la recherche en biologie comme Arabi-dopsis, C. elegans, la levure ou même la drosophile. Il reste pourtant beaucoup à découvrir sur leplan fondamental comme appliqué : si, notamment, leur rôle dans la résistance aux drogues anti-cancéreuses se vérifiait, cela permettrait de mieux cibler ce type de traitements, parfois efficacesmais souvent très toxiques. Avis aux futurs chercheurs...


qui tapissent toute la surface de la membraneinterne (10 000 à 100 000 par mitochondrie).La matrice mitochondriale présente diversesstructures : des granules très denses aux élec-trons (phosphate de calcium), des fibrilles représentant l’ADN mitochondrial qui est bi-caténaire et circulaire, des mitoribosomes etdes inclusions granulaires, parfois cristallines,de protéines.

La membrane externe est très fluide et richeen enzymes, en particulier l’acyl-CoA synthé-tase impliquée dans la synthèse des lipides etla NADH-cytochrome-b5-réductase qui inter-vient dans la désaturation des acides gras.L’enzyme marqueur est la monoamine oxy-dase (MAO) qui oxyde les monoamines,comme la noradrénaline, en aldéhydes. Cettemembrane est très perméable, notamment àtous les métabolites cytoplasmiques, grâce àla présence en abondance d’une protéine quiforme des pores, la porine.

La membrane interne est peu perméable etplus riche en protéines. Pour mettre en évi-dence son rôle, il est possible, après isolementdes mitochondries, de décoller les deux mem-branes en augmentant la pression osmotique

du milieu et, par suite, de l’espace intermem-branaire, par le saccharose. Après fragmenta-tion par les ultrasons et séparation parcentrifugation, on obtient des vésicules inver-sées portant les particules présentes sur cescrêtes. Ces vésicules peuvent « transporter lesélectrons » et phosphoryler l’ADP en ATP.Dans la membrane interne, des transporteursd’électrons sont disposés de telle sorte que letransfert d’électrons d’un transporteur à l’au-tre entraîne le pompage de protons de la ma-trice vers l’espace intermembranaire. La forceprotomotrice ainsi créée entraîne, par le refluxdes protons à travers la membrane interne, lasynthèse d’ATP grâce aux ATPases des parti-cules sphériques. Cet ATP est en partieconsommé sur place et en partie exporté horsde la mitochondrie par un mécanisme dit dediffusion facilitée. De fait, la membrane in-terne est imperméable à l’ADP et à l’ATP. C’estla même protéine de la membrane interne quitransporte l’ADP vers l’intérieur et l’ATP versl’extérieur, les deux mécanismes étant liés. Lamembrane comprend également d’autrestransporteurs, notamment pour le qui estbeaucoup plus concentré dans la matrice que

membrane externe

espace intermembranaire

membrane interne

matrice

crête mitochondriale

ATPase

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

ATP ATP

ATPADP

ATP

ATP

ADP + Pi

ADP + Pi

ADP

+ Pi

ADP

+ Pi

Fig. 1.16. Mitochondrie : architecture et oxydations phosphorylantes.


dans le cytosol. Les mitochondries, supportsde la chaîne respiratoire, sont capables de ré-cupérer l’énergie issue de la dégradation fi-nale du pyruvate (provenant de la glycolyse),et des acides gras qui viennent aussi du hya-loplasme (figure 1.17). Ceux-ci donnent desacétyl-CoA qui sont la matière première ducycle de Krebs. Les coenzymes des oxydo- réductases, réduits lors du cycle de Krebs,sont les fournisseurs de protons et d’électronsqui permettent aux mitochondries de réaliserles oxydations phosphorylantes. Outre les en-zymes nécessaires à ces réactions, la matricecontient de l’ADN et des ARN mitochondriauxqui sont responsables de la biosynthèse decertaines protéines mitochondriales. Cepen-dant, la plupart d’entre elles sont codées dansle noyau et synthétisées dans le cytoplasme.Le code génétique des mitochondries est par-ticulier et, chez les mammifères, les mitochon-dries sont exclusivement d’origine maternelle.Comme les chloroplastes, les mitochondriesse reproduisent, après croissance, par fission.Ce sont des organites semi-autonomes qui, àl’origine, étaient sans doute des micro-orga-nismes symbiotiques.

À la suite de différents stress cellulaires, lesmitochondries sont enfin à l’origine (notam-ment par la libération de cytochrome C) del’activation de protéases, les caspases, quiprovoquent un type particulier de mort cellu-laire, l’apoptose. Celle-ci, qui peut être enoutre déclenchée à partir de stimulus de ré-cepteurs membranaires appelés récepteurs demort, est un mécanisme essentiel lors du dé-veloppement embryonnaire, comme au coursde processus physiologiques (réponse immu-nitaire, érythropoïèse…) ou pathologiques(certaines maladies neurodégénératives).

Au terme de ce survol des organites cytoplas-miques, il est possible de les remettre en si-tuation fonctionnelle dans une catégoriecellulaire où les différents flux de matières etd’information sont particulièrement impor-tants, les cellules sécrétrices (voir figure 1.12).On peut y distinguer trois types de protéinesqui doivent être séparées avant de quitter leréseau transgolgien : celles destinées aux en-dolysosomes, celles des vésicules de sécrétionet celles devant s’incorporer dans la mem-brane plasmique. Les protéines des endolyso-somes sont sélectionnées car elles portent dessignaux positifs (mannose-6-phosphate pour

les hydrolases). Celles destinées aux vésiculesde sécrétion portent probablement elles aussiun signal spécifique. Leur sécrétion fait l’objetde régulations, par exemple, par des hor-mones ou des neuromédiateurs. C’est le cir-cuit régulé qui s’oppose au circuit constitutifdes protéines destinées à la membrane plas-mique.

• NoyauLe noyau occupe un volume important dansla cellule. Il est séparé du cytosol par l’enve-loppe nucléaire qui est pourvue d’orifices, lespores nucléaires. L’enveloppe est formée dedeux membranes distinctes : – la membrane externe, recouverte de ribo-

somes, est en continuité avec le réticulumendoplasmique ;

– la membrane interne est bordée par la la-mina nucléaire, couche protéique qui la sta-bilise (figure 1.18).

Le noyau présente un ou plusieurs nucléoleset de la chromatine. Le constituant fonda-mental de la chromatine est l’ADN, supportde l’information génétique. Si l’ADN d’unnoyau était complètement déployé il occupe-

acide pyruvique acides gras

acide pyruvique

acétyl CoA

cyclede

Krebs

NADH + H+

ADP + Pi ADP + PiATPATP

e– + H+

H+ H+ H+

(H+,e

– )(H

+,e

– )

CO2

H2O

O2

CO2

acides gras

Fig. 1.17. Schéma récapitulatif du métabolismemitochondrial.


rait une longueur d’environ 2 m. La chroma-tine est plus ou moins condensée en fonctiondes types cellulaires et du cycle cellulaire. Aucours de la division cellulaire, la mitose, l’en-veloppe nucléaire disparaît et la chromatine

se condense en structures de formes détermi-nées, les chromosomes. Le réseau de chroma-tine observé entre deux divisions cellulaires(noyau interphasique) correspond à l’ensem-ble des chromosomes enchevêtrés, sous

chromatine condensée

chromatine disperséenucléoplasme

lamina

ribosomes

pore nucléaire

nucléole

réticulum endoplasmique

enveloppe nucléairemembrane externe

espace intermembranairemembrane interne

1 μm

B

A

Fig. 1.18. Noyau cellulaire. A.Représentation schématiquedes structures nucléaires. B.Vue tangentielle de l’enve-loppe nucléaire d’un neuronefaisant apparaître les pores(cliché J. Taxi).

forme étendue, décondensée. Dans la substance fondamentale du noyau, le nucléo-plasme, on trouve les précurseurs indispensa-bles aux synthèses nucléaires (ribonucléotideset désoxyribonucléotides), divers ions miné-raux et les enzymes nécessaires aux processusde duplication de l’ADN et de transcription del’ADN en ARN ainsi que des protéines venantdu cytoplasme pour s’associer aux acides nu-cléiques ou jouer un rôle régulateur.

Dans les cellules germinales humaines, il y aseulement 23 chromosomes (cellules ha-ploïdes). Lors de la fécondation, le gamètemâle ou spermatozoïde fusionne avec le ga-mète femelle ou ovule pour former l’œuf ouzygote. Celui-ci contient 46 chromosomes, ilest diploïde. Dans un chromosome interpha-sique, l’ADN se trouve sous forme d’une seuledouble hélice liée à des protéines très ba-siques, les histones. Les chromosomes sontétroitement pelotonnés et ancrés sur la la-mina, elle-même liée à la membrane interne.Les pores nucléaires permettent, entre le nu-cléoplasme et le cytoplasme, les échanges quiapparaissent sélectifs et régulables en fonc-tion de l’activité cellulaire.

La synthèse des protéines nécessite l’intermé-diaire ARNm entre le noyau et le cytoplasme.La synthèse d’un ARNm est la transcription enune molécule complémentaire de l’informa-tion contenue dans une séquence d’ADN.L’ARNm passe dans le cytoplasme où il seraensuite traduit en protéine au niveau des ri-bosomes grâce à deux autres types d’ARNégalement transcrits de l’ADN nucléaire,l’ARN ribosomal (ARNr) et les ARN de trans-fert (ARNt). Ceux-ci sont spécifiques de cha-cun des 20 acides aminés qui constituent leséléments de base de toutes les protéines.L’ARNm est très remanié chez les eucaryotespar rapport à la séquence directement trans-crite ou ARN prémessager. Il y a en effet exci-sion de séquences qui ne seront pas traduites(introns) puis épissage des séquences effecti-vement traduites (exons) conduisant à une sé-quence nucléotidique originale correspondantà la protéine traduite. Ces phénomènes post-transcriptionnels ont lieu dans le noyau.

Chez un individu, toutes les cellules soma-tiques contiennent un ADN identique (géno-type) qui correspond à l’enchaînement de

3.109 paires de base. Elles forment pourtantdifférentes populations aux caractéristiques etaux activités variées. Ainsi, le même génotypes’exprime dans des phénotypes différents. Àl’origine, le zygote donne naissance à des cel-lules totipotentes qui se différencient parétapes en lignées spécialisées grâce à l’activa-tion ou la répression de la transcription de certains gènes. Ce processus relève de l’épi-genèse (des caractères phénotypiques cellu-laires sont dits épigénétiques lorsqu’ils sonttransmis d’une génération cellulaire à l’autre,bien qu’ils ne soient pas dus à des modifica-tions de la séquence nucléotidique de l’ADN.Ils apparaissent à la suite d’un signal de l’en-vironnement, mais ne disparaissent pas avecce signal).

Chez l’adulte, même si d’autres régulations sesituent en aval – au niveau de la traduction,notamment par de petits ARN non codantsdits micro ARN –, la transcription des gènesen ARNm et sa régulation demeurent uneétape fondamentale qui permet à une cellulede régler de façon précise l’expression de soninformation génétique. L’activité de transcrip-tion, catalysée par l’ARN polymérase II et lesfacteurs généraux de transcription, est sou-mise à une régulation positive ou négative pard’autres protéines. Parmi les activateurs trans-criptionnels, certains sont constitutivementactifs, c’est-à-dire que leur activité est pré-sente dans chaque cellule et à tout moment.Ils jouent probablement un rôle de facilitationdans l’expression de gènes ubiquitairementexprimés et qui codent pour des protéinesstructurales (actine, tubuline...) ou des en-zymes métaboliques ubiquitaires. D’autres ac-tivateurs et répresseurs transcriptionnelsrégulent l’activité basale en réponse à des sti-mulus, comme des signaux hormonaux. Lessignaux intracellulaires, issus par exemple dela transduction d’un messager hormonal à lamembrane cellulaire, orchestrent donc fine-ment la transcription, de sorte que chaquegène cible soit allumé ou éteint en un instantet un lieu appropriés, en fonction des condi-tions physiologiques, de la progression ducycle cellulaire ou de manière spécifique àchaque tissu.

On verra, par exemple, dans le chapitre 9« Endocrinologie » comment les cascades en-zymatiques de phosphorylation/déphosphory-



L’ESSENTIEL Tout organisme est fait de cellules qui présentent à l’échelle microscopique lesmêmes fonctions essentielles que le corps tout entier. D’une étude cytofonctionnellede leurs organites se dégagent donc les notions du « soi » cellulaire et des échangesavec le milieu (membrane plasmique), de cytomusculature et de cytosquelette (mi-crofilaments, microtubules et filaments intermédiaires), de construction et de renou-vellement des constituants cellulaires (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi),de digestion (lysosomes), de métabolisme énergétique (mitochondries) et enfin declé de voûte de toutes ces fonctions avec le noyau qui assure à la fois la conservation,la reproduction et la transcription du message génétique, commun à la cellule et àtout l’organisme.

lation sont les supports de la transmission del’information depuis la membrane jusqu’à larégulation de la transcription. L’importancedes phosphorylations est illustrée par le fait

qu’un tiers des protéines eucaryotes sont desphosphoprotéines et que des déficiences dephosphorylations sont à l’origine de nom-breuses pathologies.

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Ce chapitre étudie les différents constituantsdu milieu intérieur mais l’homéostasie,constance du milieu intérieur qui implique desmécanismes de régulation, est traitée dans leschapitres concernés.

L'eau représente 65 à 70 % du poids ducorps. Elle est répartie dans l'organisme endeux compartiments : l'un, intracellulaire, re-présente 40 à 45 % du poids du corps, l'au-tre, extracellulaire, représente 20 à 25 % dupoids corporel. C’est le compartiment extra-cellulaire qui constitue le milieu intérieur.

Ce milieu intérieur comprend :– la lymphe, dont une partie est canalisée, le

reste constituant le liquide interstitiel ;– le sang, dont le volume est de 3 à 4 L, tissu

formé de cellules en suspension dans un li-quide : le plasma.

Les échanges entre plasma, lymphe et liquideinterstitiel sont particulièrement rapides au ni-veau capillaire. La lymphe se forme à ce ni-veau, à partir du plasma. Les constituants dela lymphe reviennent dans le compartimentsanguin soit directement au niveau des capil-laires, soit par les canaux lymphatiqueslorsque ceux-ci rejoignent la circulation san-guine.

• SangLe sang est un tissu conjonctif constitué decellules en suspension dans un liquide, leplasma (figure 2.1).

Il coagule dès qu’il est en contact avec unesurface autre que l’endothélium vasculaire.Pour l’étudier in vitro, il est donc nécessairede le prélever sur anticoagulant.

Le sang, recueilli sur un anticoagulant sec(EDTA dipotassique, par exemple) et laissé aurepos, sédimente en trois couches :– une couche inférieure rouge : les hématies ;– une fine couche intermédiaire blanche : les

leucocytes et les plaquettes ;– une couche supérieure jaune pâle, liquide :

le plasma.

L’EDTA complexe les ions calcium indispensa-bles à la coagulation.

La sédimentation accélérée par centrifuga-tion, dans des conditions standardisées, per-met d’obtenir une sédimentation complètetout en respectant les cellules. Grâce à cette

Le milieu intérieur | 21

Chapitre 2 Le milieu intérieur

hématies plaquette

leucocyte

Fig. 2.1. Sang observé à l’état frais (× 400). L’ob-servation microscopique d’une goutte de sangpermet de distinguer trois types de cellules :− des cellules anucléées, discoïdes d’environ 7 m

de diamètre, de couleur légèrement rose : lesglobules rouges ou hématies ou érythrocytes ;

− des cellules nucléées, incolores, un peu plusgrandes que les hématies : les globules blancsou leucocytes ;

− de petits éléments cellulaires arrondis, réfrin-gents, de 2 à 4 m de diamètre : les plaquettesou thrombocytes.

Ces cellules baignent dans un liquide interstitiel :le plasma. L’ensemble constitue le sang, tissuconjonctif liquide.

centrifugation en tube gradué, ou dans un ca-pillaire calibré, on peut mesurer la proportiondu volume sanguin occupé par les hématies,c’est l’hématocrite (figure 2.2).

La valeur normale de l’hématocrite varie enfonction de l’âge et du sexe :– 0,49 à 0,59 L/L à la naissance ;– 0,37 à 0,47 L/L chez la femme adulte ;– 0,40 à 0,50 L/L chez l’homme adulte.

Pour mesurer le volume sanguin total, ou vo-lémie (le suffixe « émie » signifie « dans le »ou « du sang »), une méthode de dilution estutilisée. Une quantité connue (Q) d’une subs-tance diffusant uniquement dans le systèmevasculaire, non toxique, non métabolisée, fa-cilement dosable, est injectée à l’individu.Après avoir laissé s’écouler le temps néces-saire à la diffusion de cette substance, saconcentration est déterminée (C). Le rapportQ/C est égal à la volémie. Connaissant l’hé-matocrite, il est possible de calculer le volumeplasmatique et le volume globulaire.

En pratique, la volémie est déterminée en uti-lisant les hématies de l’individu préalablementmarquées au radiochrome (51CrO4

–).

Les hématies ne diffusent que dans la circula-tion sanguine, ce qui permet de déterminer lavolémie. Les problèmes immunologiques sontéliminés en utilisant les hématies de l’individu.

Il est aussi possible de mesurer directement levolume plasmatique en utilisant de l’albuminemarquée à l’iode radioactif (131I).

L’albumine est une protéine plasmatique quireste localisée dans le plasma pendant letemps de la mesure, ce qui permet de déter-miner le volume plasmatique.

La volémie normale dépend du poids et doitdonc être exprimée par kilogramme de poidscorporel, elle varie de 63 à 77 cm3/kg.

HématiesCe sont des cellules dont la structure est trèssimple, anucléées, dépourvues d’organites cy-toplasmiques, mais saturées d’hémoglobine,protéine grâce à laquelle les hématies trans-portent le dioxygène des poumons aux tissus.

Le nombre d’hématies dans le sang varie enfonction de l’âge et du sexe :– nouveau-né : 5,0 à 6,0.1012/L ;– enfant : 4,0 à 5,0.1012/L ;

– femme adulte : 4,0 à 5,0.1012/L ;– homme adulte : 4,5 à 5,5.1012/L.

Les hématies ont une forme discoïde, bicon-cave, et un diamètre d’environ 7 m pour uneépaisseur d’environ 2 m. Grâce à cette mor-phologie, les hématies sont très déformables,ce qui leur permet de circuler dans des capil-laires dont le diamètre peut être inférieur à3 μm de diamètre. La viscosité sanguine, auniveau des capillaires, dépend surtout de ladéformabilité des hématies, mais la viscositésanguine totale dépend également d’autresfacteurs : viscosité du plasma, liée surtout à laconcentration en protéines, agrégabilité deshématies ou valeur de l’hématocrite.

Si l’hématocrite augmente au-delà des valeursphysiologiques, la viscosité sanguine aug-mente, d’où une diminution du débit sanguinau niveau des capillaires et une hypoxie (pres-sion partielle en dioxygène abaissée) tissulaire.La diminution de la concentration d’hémoglo-bine dans le sang, souvent associée à une di-minution de l’hématocrite, entraîne unediminution du transport du dioxygène et unehypoxie tissulaire. L’hématocrite physiolo-gique présente une valeur optimale pour letransport du dioxygène (figure 2.3).

L’hémoglobine, principal constituant des hé-maties, est une chromoprotéine constituée


1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

plasma

hématies

leucocyteset plaquettes

valeur de l'hématocrite

Fig. 2.2. Tube de sang recueilli sur EDTA (anticoa-gulant sec n’entraînant pas de dilution du sang)après centrifugation.

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d’une partie protéique, la globine et d’ungroupement prosthétique, l’hème.

La concentration de l’hémoglobine dans lesang dépend de l’âge et du sexe :– 160 à 200 g/L chez le nouveau-né ;– 120 à 130 g/L chez l’enfant ;– 120 à 160 g/L chez la femme ;– 140 à 180 g/L chez l’homme.

La globine est une protéine tétramérique ; surchaque chaîne polypeptidique est fixé unhème (figure 2.4).

Les chaînes polypeptidiques constituant laglobine sont identiques deux à deux. Selonleur structure, on distingue différenteschaînes. Toute molécule de globine est consti-tuée de deux chaînes et de deux chaînesnon . Selon la structure des chaînes non ,on distingue différentes hémoglobines :– l’hémoglobine A constituée de deux chaînes

et de deux chaînes ( 2 2) ;– l’hémoglobine A2 constituée de deux

chaînes et de deux chaînes ( 2 2) ;– l’hémoglobine F ou hémoglobine fœtale

constituée de deux chaînes et de deuxchaînes ( 2 2) ;


10

viscositésanguine

relative

hémoglobine(g/L)

240

170

100

5

00,3 0,5 0,7 hématocrite

(L/L): taux d'hémoglobine: viscosité sanguine: pouvoir oxyphorique du sang

Fig. 2.3. Pouvoir oxyphorique du sang et hématocrite. Plus le taux d’hémoglobine est élevé, plus lepouvoir oxyphorique du sang est grand. Mais un taux d’hémoglobine supérieur aux valeurs physiolo-giques s’accompagne d’une augmentation de l’hématocrite et donc d’une augmentation de la viscositésanguine. La viscosité élevée du sang ralentit la circulation capillaire, ce qui diminue le pouvoir oxy-phorique. Les valeurs physiologiques de l’hématocrite et du taux d’hémoglobine sont telles que le pou-voir oxyphorique du sang est maximal.

α

β

β

α

hème

Fig. 2.4. Structure schématique de l’hémoglobineA. L’hémoglobine est constituée de quatrechaînes polypeptidiques identiques deux à deux,chaque chaîne étant liée à un groupement pros-thétique : l’hème. L’hémoglobine A est constituéede deux chaînes α et de deux chaînes β. Les qua-tre chaînes sont reliées entre elles par des liaisonsfaibles.


proportiondes différenteschaînesd'hémoglobine

âge (mois)chaîne αchaîne βchaîne γchaîne δchaîne ε

963– 3– 6– 9

50 %

naissance

Fig. 2.5. Proportions des dif-férentes chaînes d’hémoglo-bine en fonction de l’âge. Lanature des chaînes d’hémo-globine synthétisées dans lescellules précurseurs des hé-maties (érythroblastes) varieen fonction de l’âge. Les pro-portions des différentes hé-moglobines présentes dansles hématies varient doncégalement en fonction del’âge ; ainsi, chez le fœtus etle nouveau-né, l’hémoglo-bine majoritaire est HbF( 2 2) alors que, à partir de6 mois, il s’agit de HbA ( 2 2).

Fig. 2.6. Drépanocytose.Cette maladie est due au faitque, dans les hématies, l’hé-moglobine S remplace l’hé-moglobine A. L’hémoglobineS, à l’état désoxygéné, préci-pite, ce qui déforme les hématies. Ces hématies dé-formées ou drépanocytespeuvent être observées surfrottis sanguin coloré.

– l’hémoglobine ou hémoglobine embryon-naire constituée de deux chaînes et dedeux chaînes ( 2 2).

La nature des hémoglobines présentes dansles hématies varie en fonction de l’âge (fi-gure 2.5). Ainsi, chez le fœtus et le nouveau-

né, on trouve essentiellement de l’hémoglo-bine F. À partir de 6 mois environ, on trouvesimultanément plusieurs hémoglobines :– hémoglobine A, environ 98 % ;– hémoglobine A2, environ 2 % ;– hémoglobine F à l’état de traces.

Drépanocytose

Les différentes hémoglobines peuvent être séparées et caractérisées par des techniques électro-phorétiques. Ces techniques sont utilisées pour rechercher d’éventuelles hémoglobines anor-males. En effet, certaines maladies héréditaires sont dues à une mutation qui entraîne lechangement d’un acide aminé de l’une des chaînes de globine. La drépanocytose, par exemple,est une maladie grave, fréquente dans les populations noires d’origine africaine, due à une mu-tation qui entraîne le changement du sixième acide aminé de la chaîne ; celui-ci est une valineau lieu d’être un glutamate. L’hémoglobine constituée de deux chaînes et de deux chaînes mutées est appelée hémoglobine S. Lorsque la tare est portée à l’état homozygote, l’hémoglo-bine S polymérise dans les hématies sous forme de fibres. Ces fibres déforment les hématies etles rendent plus rigides ; ces hématies déformées sont appelées drépanocytes (figure 2.6).

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L’hème, groupement prosthétique de l’hémo-globine, est constitué d’une protoporphyrineet d’un atome de fer ferreux. Le fer est lié à laprotoporphyrine et à la chaîne de globine parsix liaisons de coordinence, quatre avec lesazotes des noyaux pyrroles de l’hème, lesdeux autres avec l’azote imidazolique de deuxhistidines de la poche de l’hème (figure 2.8).La poche de l’hème est un repli de la chaînepolypeptidique dans lequel est logé l’hème(figure 2.9).

Le dioxygène se fixe sur l’hémoglobine en seplaçant entre le fer de l’hème et une histidinede la poche de l’hème, et en formant une liai-son de coordinence avec le fer. Il s’agit d’uneoxygénation de l’hémoglobine mais pas d’uneoxydation du fer, celui-ci restant à l’état fer-reux. Si le fer est oxydé, il s’agit alors de me-thémoglobine, le dioxygène ne peut plus sefixer, la methémoglobine n’est pas fonction-nelle. Les hématies sont d’ailleurs pourvuesd’un système enzymatique qui permet de


Les drépanocytes, moins déformables que les hématies normales, circulent difficilement dans lescapillaires, ce qui entraîne des microthromboses et une hémolyse tissulaire importante. La drépa-nocytose est une anémie hémolytique gravissime, mortelle le plus souvent dans l’enfance. Lediagnostic de cette maladie est effectué en mettant en évidence l’hémoglobine S par électropho-rèse (figure 2.7)

CH

CH

CH2

CH2CH2CH2

CH2CH2

CH3

CH3

CH3

CH3

His

His

HOOC

HOOC

N

N

N

N

Fe2+

histidineproximale

hème

histidinedistaleglobine

(chaîne β)

Fig. 2.8. Formule de l’hème. L’hème est constituéd’une protoporphyrine et d’un atome de fer fer-reux. Le fer est lié à la protoporphyrine et à lachaîne de globine par six liaisons de coordinence.

A

S

A2anhydrase carbonique

dépôt

+

–

Fig. 2.7. Mise en évidence del’hémoglobine S par électro-phorèse sur cellogel à pH 9.

Fig. 2.9. Liaisons hème-globine. L’hème, logé dansun repli de la chaîne polypeptidique, est relié àcelle-ci par deux liaisons de coordinence entre lefer et l’azote imidazolique de deux histidines.

Précis de physiologie - Numilog

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