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Éléments de biologie cellulaire, de cytologie, d’histologie et d’endocrinologie

Éléments de biologie cellulaire, de cytologie, d’histologie et d’endocrinologie préparatoire à l’étude du système nerveux. Année Académique 2018-2019 ____________________________ Prof. Alain BOOM ____________________________ La vie a pour seule fin sa perpétuation et sa reproduction. La seule "raison de vivre" selon la nature est la vie elle- même. C’est là une conception scientifique du vivant qui s’explique par les causes matérielles et non par les causes finales, qui sont des illusions. Spinoza Résumé du Cours Ce cours porte sur l’étude de la biologie de la Cellule, unité ultime du vivant. Cette discipline, appelée Biologie Cellulaire, étudie les composants de la cellule et les mécanismes dynamiques qui s’y déroulent. Le formalisme et les outils utilisés en biologie cellulaire nécessitent le recours aux disciplines descriptives des propriétés intimes de la matière. Seront ainsi exposées au début de ce cours (les leçons 2 & 3) des notions de base en chimie (étude de la matière) et en biochimie (étude de la matière en relation avec le vivant). Elles nous permettront d’appréhender la nature et la structure des composants cellulaires, connaissance ouvrant la voie à l’étude de leur dynamique d’interaction. La cellule n’est pas visible à l’œil nu et sa découverte est relativement récente, contemporaine du développement de l’optique et des premiers microscopes construits au XVIIème siècle. En effet, le pouvoir maximal de résolution de l’œil humain ne permet pas de distinguer des objets inférieurs au dixième de millimètre. La taille moyenne des grandes cellules est encore cinq fois plus petite que le dixième de millimètre (soit 0,05 mm ou 50 microns (1 micron = 1/1000 de millimètre). L’étude de la cellule requiert donc impérativement des techniques permettant de les « agrandir » (la microscopie) et des stratégies permettant d’appréhender la nature des interactions complexes qui y réside (différents outils biochimiques et de biologie moléculaire). La théorie cellulaire, que nous étudierons, nous apprendra que le monde du vivant est consubstantiel (directement lié) à l’existence de la cellule. Autrement dit, la cellule est l’unité de base obligée de tout ce qui constitue le vivant : les micro-organismes, les insectes, les plantes, les animaux…et l’homme bien entendu. Nous aurons l’occasion, au cours des différentes leçons d’interroger les hypothèses quant à la formation et l’apparition des toutes premières cellules dans le biotope terrestre, et ce dans une perspective évolutive de la complexification de la matière depuis la formation de l’univers, il y a environ treize milliards d’années (Chapitre 1). L’âge de la Terre est estimé à environ 4,8 milliards d’années et les conditions physico-chimiques qui y régneront un milliard d’années plus tard (± 3,8 milliards d’années) conduiront à l’apparition des toutes premières traces d’une organisation de la matière, préludant à l’apparition du vivant. Ceci a pu être démontré par les expériences de Stanley Miller pratiquées en laboratoire, dans des conditions expérimentales rappelant les conditions de l’atmosphère primitive terrestre supposée. Dans ces conditions, des composés chimiques simples vont, en s’associant dans un contexte de chimie dite « auto-organisatrice », mener à la synthèse in vitro des « briques élémentaires » constitutives de la cellule (les acides aminés des protéines, les nucléotides de la molécule d’ADN, les lipides de la membrane cellulaire, etc.). Ces différentes macromolécules, que l’on peut synthétiser en laboratoire, sont les éléments précurseurs de la formation des cellules (on parle de ‘chimie pré-biotique’). Différentes traces fossiles, géologiques en particulier, indique que ces structures macromoléculaires vont au cours du temps être à la base de la constitution d’une première cellule appelée cellule primitive. Cette entité a pour propriété essentielle de pouvoir s’auto-répliquer (se reproduire à l’identique) et ce grâce à la présence dans cette cellule primitive de macromolécules particulières appelées « ADN » (Acide Désoxy-Ribo-Nucléiques) et « ARN » (Acide Ribo- Nucléiques). Ces macromolécules sont dans la cellule le support matériel de l’information (les plans de construction de la cellule – le génome de la cellule). Point important, les molécules d’ARN ont en plus de leur capacité de support de l’information, des propriétés de « catalyse » (d’accélérateur des réactions chimiques). En leur absence les réactions chimiques du vivant, qui doivent se dérouler dans une gamme de ambiante pas trop élevée, ne se produiraient pas. L’ensemble de ces propriétés d’édification de la matière en des structures de plus en plus complexes, à concurrence d’un indispensable apport d’énergie, mène in fine à la formation de qui est reconnu comme étant l’ 'ancêtre cellulaire commun' d’où dérivera l’ensemble de toutes les cellules vivantes du biotope terrestre actuel. Cette ‘cellule ancestrale’ est appelée "LUCA" et est l’acronyme de ‘Last Universal Common Ancestor’ ou encore en français de : ‘Dernier Ancêtre Commun Universel’. De cette cellule aurait dérivé l’ensemble des cellules du monde du vivant actuel. 1. La Cytologie (étude de la cellule) – Composition de la cellule et dynamique de fonctionnement. Une partie importante du cours sera consacrée à l’étude de la structure fine des différents composants de la cellule. Il faut garder à l’esprit qu’il s’agit de structures dynamiques, la cellule établissant des échanges avec le milieu extérieur, de matière et d’énergie (il s’agit d’un système thermodynamique qualifié d’ouvert (cf. §1. Introduction du Chap. 4)). Ainsi, la membrane cellulaire qui confine un minuscule ‘espace intracellulaire’ n’est pas une barrière totalement étanche. On trouve, inclus au sein de cette membrane cellulaire, différentes protéines d’échange, telles que des protéines de transport, des canaux protéiques, etc. Ces structures protéiques présentes dans la membrane cellulaire permettront d’assurer de multiples et indispensables transferts de matière entre la cellule et l’environnement extérieur. Sur le plan de sa constitution, la cellule comprend différentes ‘structures’. Ce sont ; a) la membrane cellulaire, permettant par sa présence l’existence de la cellule, membrane isolant un tout petit espace du milieu extérieur, confinant différentes molécules, protéines, enzymes qui interagiront en son sein, créant de nouvelles molécules complexes, à la base de l’émergence de nouvelles propriétés ; b) le cytosquelette responsable de la forme de la cellule. Le cytosquelette est constitué de trois protéines spécifiques. Associées à la membrane ils en arment sa structure. Le cytosquelette en lien avec d’autres protéines octroie des propriétés mécaniques à la cellule (mobilité) ; c) La mitochondrie, qui est un organite (structure intracellulaire) a pour rôle principal de produire une molécule riche en énergie (un équivalent énergétique universel) qui a cours dans toutes les cellules (pas de cellule sans énergie). Cet « équivalent énergétique cellulaire universel » est la molécule qui porte le nom d’ATP, acronyme d’ Adénosine Tri Phosphate ; d) Le noyau qui contient les plans de construction de la cellule permettant à la cellule de de reproduire à l’identique. Ces informations ou « plans de construction de la cellule » sont codés dans la macromolécule d’ADN (ou parfois d’ARN), constituant ce qu’on appelle le « génome de la cellule » ; e) les ribosomes, le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi, trois structures importantes participant à la synthèse (fabrication) des protéines au sein de la cellule. 1. Les « Sociétés Cellulaires » ou Histologie (étude des tissus). Après l’étude d’une ‘cellule type’, nous nous intéresserons aux propriétés d’association des cellules entre-elles. On peut parler de ‘structures sociales’ ou ‘d’assemblées cellulaires’ voire de ‘classes sociales’ de cellules. Le transfert d’information est capitale pour maintenir la synergie nécessaire au maintien d’une activité coordonnée et nécessitera des vecteurs de communication entres groupes cellulaires différents. En effet, à côté de la vie unicellulaire indépendante (les bactéries et la très grande variété d’unicellulaires de la classe des « protistes »), on dénombre les organismes pluricellulaires caractérisés par la division du travail des différentes cellules et groupes cellulaires composant ces organismes. On quitte le domaine de la ‘cytologie’ pour aborder celui de ‘l’histologie’, discipline qui étudie ce qu’on dénomme les tissus cellulaires. Ces ‘tissus’ constituent le niveau d’organisation intermédiaire entre les cellules et les organes. Dans la très grande majorité des organismes pluricellulaires, on dénombrera quatre « tissus » différents. Ce sont le tissu cutané, le tissu conjonctif, le tissu musculaire et le tissu nerveux. Chacun d’entre eux présente des caractéristiques et des propriétés spécifiques. L’organisation et la mise en place de ces quatre tissus s’opèrent au cours des toutes premières étapes du développement de l’embryon que nous aborderons lors de l’étude du développement embryonnaire précoce (chapitre 10). La cellule et les organismes pluricellulaires sont des ‘structures’ stationnaires dites loin de l’équilibre. La cellule et le vivant sont qualifiés sur le plan thermodynamique de ‘systèmes ouverts’, ce qui signifie qu’ils sont le siège d’un transfert d’énergie et de matière, entre ces systèmes et le ‘monde’ qui les entourent appelé ‘monde extérieur’. Ces échanges constants de matière et d’énergie sont nécessaires pour le maintien structurel et fonctionnel de la cellule et des organismes, qui sont dans un état thermodynamique particulier qualifié de ‘stationnaires’, non à l’équilibre. On parle aussi de système ‘stationnaire loin de l’équilibre’. En mots simples, cela veut dire que les cellules laissées à elles-mêmes vont voir leurs structures inexorablement se dégrader et disparaître. Le maintien actif des paramètres physico-chimiques de la cellule, compatible avec la vie, implique la capacité qu’a la cellule de conserver sa structure. Différents uploads/Ingenierie_Lourd/ elements-de-biologie-cellulaire-de-cytologie-d-x27-histologie-et-d-x27-endocrinologie-preparatoire-a-l-x27-etude-du-systeme-nerveux.pdf