Chapitre 3 Les cellules, les tissus et l’organisation du corps

Les cellules sont les plus petites unités fonctionnelles du corps. Elles sont regroupées pour former des tissus, chacun ayant une fonction spécialisée, par exemple le sang, le muscle, l’os. Différents tissus sont regroupés pour former des organes, par exemple le cœur, l’estomac, le cerveau. Des organes sont regroupés pour former des systèmes, qui assument chacun une fonction particulière maintenant l’homéostasie et contribuant à la santé de l’individu (voir Fig. 1.2, p. 5). Par exemple, le système digestif est responsable de l’ingestion des aliments, de leur digestion et de leur absorption ; il comprend divers organes, dont l’estomac et les intestins (intestin grêle et gros intestin). La structure et les fonctions des cellules ainsi que les types de tissus sont abordés dans ce chapitre.

La terminologie employée pour décrire les relations anatomiques des parties du corps, le squelette et les cavités de l’organisme est ensuite décrite.

La dernière section aborde les caractéristiques des tumeurs bénignes et malignes, leurs causes, leur mode de croissance et leur extension.

La cellule : structure et fonctions

Le corps humain se développe à partir d’une seule cellule appelée zygote, qui résulte de la fusion de l’ovule (cellule germinale femelle) et du spermatozoïde (cellule germinale mâle). La multiplication cellulaire suit et, tandis que le fœtus grandit, des cellules ayant des spécialisations structurales et fonctionnelles différentes se développent, ayant toutes la même constitution génétique que le zygote. Les cellules individuelles sont trop petites pour être vues à l’œil nu. Cependant, elles peuvent être vues quand de minces tranches de tissu sont colorées au laboratoire et agrandies par le microscope.

Une cellule comporte une membrane plasmique, qui la limite, et divers organites flottant dans un liquide aqueux appelé cytoplasme (Fig. 3.1). Les organites, littéralement « petits organes » , ont des fonctions particulières et hautement spécialisées, et sont souvent enfermés dans leur propre membrane au sein du cytoplasme. Ils comprennent : le noyau, les mitochondries, les ribosomes, le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, les lysosomes, et le cytosquelette.

Figure 3.1 La cellule simple.

Membrane plasmique

La membrane plasmique (Fig. 3.2) est faite de deux couches de phospholipides (graisses, voir p. 24), avec quelques molécules protéiques et de sucre enchâssées dans ces couches. En plus des phospholipides, le cholestérol, qui est un lipide, est aussi présent dans la membrane plasmique. Ces protéines qui traversent toute l’épaisseur de la membrane constituent des canaux permettant le passage, par exemple, d’électrolytes et de substances solubles non lipidiques. La figure 3.2B montre des molécules protéiques à la surface de la membrane plasmique.

Figure 3.2 La membrane plasmique.

A. Schéma montrant la structure. B. Microscopie à force atomique en couleur de la surface montrant les protéines plasmatiques.

Les molécules phospholipidiques ont une tête, électriquement chargée et hydrophile (ce qui signifie aimant l’eau), et une queue, non chargée et hydrophobe (ce qui signifie haïssant l’eau, Fig. 3.2A). La bicouche phospholipidique est disposée comme un sandwich, avec les têtes hydrophiles alignées sur les faces superficielles de la membrane et les queues hydrophobes, formant une couche centrale repoussant l’eau. Ces différences influencent le transfert de substances à travers la membrane.

Les protéines membranaires ont plusieurs fonctions :

• certaines molécules protéiques membranaires fixent par leur partie externe des molécules d’hydrates de carbone ramifiés, donnant à la cellule son identité immunologique ;

• elles peuvent agir comme récepteurs spécifiques (sites de reconnaissance) d’hormones et d’autres messagers chimiques ;

• certaines sont des enzymes (p. 25) ;

• certaines sont impliquées dans le transport à travers la membrane.

Organites

Noyau

Chaque cellule du corps a un noyau, à l’exception des érythrocytes matures. Les cellules du muscle squelettique et certaines autres cellules contiennent plusieurs noyaux. Le noyau est l’organite le plus volumineux ; il est limité à l’intérieur de l’enveloppe nucléaire par une membrane semblable à la membrane plasmique, mais avec de minuscules pores au travers desquels certaines substances peuvent passer dans le cytoplasme, c’est-à-dire dans le contenu cellulaire à l’exception du noyau.

Le noyau contient le matériel génétique de l’organisme, qui dirige les activités de la cellule. Cela consiste en 46 chromosomes, composés à partir de l’acide désoxyribonucléique (ADN, p. 454). Mis à part durant la division cellulaire, les chromosomes ressemblent à un fin réseau de fibres appelé chromatine.

À l’intérieur du noyau se trouve une structure grossièrement sphérique appelée nucléole, qui participe à la fabrication (synthèse) et à l’assemblage des composants des ribosomes.

Les mitochondries sont des structures, en forme de saucisse, situées dans le cytoplasme, décrites parfois comme le centre du pouvoir de la cellule (Fig. 3.3). Elles sont impliquées dans la respiration aérobie, processus par lesquels l’énergie chimique est rendue possible dans la cellule. Cette énergie est sous forme d’ATP ; celle-ci libère de l’énergie quand la cellule la scinde (voir Fig. 2.10, p. 25). La synthèse de l’ATP est la plus efficace aux stades terminaux de la respiration aérobie, processus requérant de l’oxygène (p. 327). Les types de cellules les plus actifs possèdent le plus grand nombre de mitochondries, par exemple le foie, le muscle et le spermatozoïde.

Figure 3.3 Mitochondrie et réticulum endoplasmique rugueux.

Microscopie à balayage électronique en fausse couleur montrant une mitochondrie (en orange) et du réticulum endoplasmique rugueux (en turquoise) parsemé de ribosomes (points).

Ribosomes

Ce sont de minuscules granules faits d’ARN et de protéines. Ils synthétisent les protéines à partir d’acides aminés en utilisant l’ARN comme matrice (voir Fig. 17.5, p. 457). Quand ils sont sous forme d’unités libres ou en petits amas dans le cytoplasme, les ribosomes fabriquent des protéines destinées à être utilisées à l’intérieur même de la cellule. Cela inclut les enzymes requises pour le métabolisme. Les voies métaboliques consistent en une série d’étapes, chacune étant stimulée par une enzyme spécifique. Des ribosomes sont également présents à la face superficielle du réticulum endoplasmique rugueux (voir Fig. 3.3 et plus loin), où ils produisent des protéines destinées à être exportées (expulsées) hors de la cellule.

Réticulum endoplasmique

Le réticulum endoplasmique (RE) est constitué d’une importante série de canaux membraneux intracytoplasmiques, connectés entre eux (Fig. 3.3). Il y en a deux types : lisse et rugueux. Le RE lisse synthétise les lipides et les hormones stéroïdiennes, et il intervient également dans la détoxification de certains médicaments. Certains des lipides servent à remplacer et réparer la membrane plasmique ainsi que les membranes des organites. Le RE rugueux est clouté de ribosomes. Ceux-ci sont le siège de la synthèse des protéines, certaines d’entre elles étant exportées (expulsées) hors de la cellule, c’est-à-dire des enzymes et des hormones qui quittent leurs cellules parentales par exocytose (p. 36) afin d’être utilisées ailleurs.

• des microvillosités. Ce sont de minuscules projections qui contiennent des microfilaments. Elles recouvrent la surface de certains types de cellules, par exemple les cellules absorbantes qui bordent l’intestin grêle (Fig. 3.6). En augmentant considérablement la surface totale, les microvillosités rendent la structure de ces cellules idéale pour remplir leur fonction – l’absorption des nutriments à partir de l’intestin grêle est ainsi optimisée ;

• des cils. Ce sont de microscopiques projections semblables aux cheveux contenant des microtubules qui sont situées le long des bords libres de certaines cellules (voir Fig. 10.12, p. 251). Ils battent ensemble, déplaçant des substances le long de la surface, par exemple du mucus vers le tractus respiratoire ;

• des flagelles . Il s’agit de longues projections uniques en forme de fouet, contenant des microtubules, qui forment les queues de spermatozoïdes (voir Fig. 1.17, p. 14), ce qui permet leur déplacement dans l’appareil reproducteur féminin.

Figure 3.6 Microscopie à balayage électronique en couleur de microvillosités dans l’intestin grêle.

Cycle cellulaire

De nombreuses cellules lésées, mortes et épuisées peuvent être remplacées grâce à la croissance et la division d’autres cellules similaires. La plupart des cellules corporelles ont 46 chromosomes et se divisent par mitose, un processus qui génère deux nouvelles cellules filles, identiques génétiquement. La seule exception à ce processus est la formation des gamètes (cellules sexuées), c’est-à-dire les ovules et les spermatozoïdes, qui intervient au cours de la méiose (voir p. 459), et les quatre cellules filles sont génétiquement différentes de leurs cellules parentales et entre elles.

La période entre deux divisions cellulaires est appelée le cycle cellulaire, qui est composé de deux phases visibles en microscopie classique : la mitose (phase M) et l’interphase (Fig. 3.7).

Figure 3.7 Le cycle cellulaire.

Mitose (Fig. 3.8 et 3.9)

La mitose est un processus continu, comprenant quatre phases distinctes, pouvant être observées en microscopie classique.

Figure 3.8. Les phases de la mitose.

Figure 3.9 La mitose.

Microscopie classique montrant des cellules à différents stades de la reproduction, la chromatine/les chromatides figurant en rose.

Prophase

Durant cette phase, la chromatine répliquée devient étroitement enroulée, et plus facile à observer au microscope. Chacun des 46 chromosomes orignaux (appelé chromatide à ce stade) est pair, avec sa copie dans une unité chromosomique double. Les deux chromatides se rejoignent dans le centromère (Fig. 3.8) L’appareil mitotique apparaît. Il consiste en deux centrioles séparés par le fuseau mitotique, qui est formé à partir de microtubules. Les centrioles migrent, un à chaque terminaison de la cellule, et l’enveloppe nucléaire disparaît.

Métaphase

Les chromatides s’alignent au centre du fuseau, attachés par leurs centromères.

Anaphase

Les centromères se séparent, et parmi chacune des paires de chromatides sœurs (maintenant de nouveau appelés chromosomes), une migre vers chaque terminaison du fuseau, tandis que les microtubules formant le fuseau mitotique se contractent.

Télophase

Le fuseau mitotique disparaît, les chromosomes se déroulent et l’enveloppe nucléaire se reforme.

Après la télophase se produit la cytokinèse : le cytoplasme, les organites intracellulaires et la membrane plasmique se divisent, formant deux cellules filles identiques. Les organites des cellules filles sont incomplets à la fin de la division cellulaire, mais ils se développent durant l’interphase.

La fréquence avec laquelle la division cellulaire se produit dépend du type de la cellule (p. 43).

Transport de substances à travers les membranes cellulaires

La structure de la membrane plasmique lui fournit la propriété de perméabilité sélective, ce qui signifie que toutes les substances ne peuvent pas la traverser. Celles qui le peuvent le font de différentes manières, en fonction de leur taille et de leurs caractéristiques.

Transport passif

Le transport passif se produit quand des substances peuvent traverser les membranes semi-perméables plasmiques et des organites, et se déplacer dans le sens du gradient de concentration, sans utiliser de l’énergie.

Diffusion

La diffusion a été décrite p. 26. De petites molécules diffusent dans le sens du gradient de concentration :

• des substances liposolubles telles que l’oxygène, le dioxyde de carbone, les acides gras et les stéroïdes traversent la membrane en se dissolvant dans la partie lipidique de la membrane ;

• de petites substances hydrosolubles telles que le sodium, le potassium et le calcium traversent la membrane en passant dans des canaux remplis d’eau.

Diffusion facilitée

Ce processus passif est utilisé par certaines substances incapables de diffuser sans aide au travers d’une membrane semi-perméable, comme c’est le cas du glucose et des acides aminés. Des molécules porteuses protéiques spécialisées situées dans la membrane ont des sites spécifiques attirant et liant les substances à transférer, comme un mécanisme de clé et de serrure. Le transporteur modifie alors sa forme, et dépose la substance de l’autre côté de la membrane (Fig. 3.10). Les sites du transporteur sont spécifiques, et ils ne peuvent être utilisés que par une seule substance. Comme le nombre de transporteurs est limité, la quantité de substance susceptible d’être transportée à un moment donné est limitée. Elle est appelée transport maximal.

Figure 3.10 Molécules protéiques transporteuses spécialisées impliquées dans la diffusion facilitée et le transport actif.

Osmose

L’osmose est le mouvement passif de l’eau dans le sens de son gradient de concentration au travers d’une membrane semi-perméable jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint ; elle est expliquée p. 26.

Transport actif

C’est le transport de substances contre le sens de leur gradient de concentration, c’est-à-dire de la concentration la plus basse à la concentration la plus élevée. L’énergie chimique sous forme d’ATP (p. 24) dirige des molécules porteuses protéiques spécialisées, qui transportent les substances à travers la membrane dans chaque direction (voir Fig. 3.10). Les sites du transporteur sont spécifiques, et ils ne peuvent être utilisés que par une seule substance ; par conséquent, le rythme du transfert d’une substance dépend du nombre de sites disponibles.

Pompe sodium–potassium

Ce mécanisme de transport actif maintient l’inégalité des concentrations de sodium (Na⁺) et de potassium (K⁺) de chaque côté de la membrane plasmique. Il peut utiliser jusqu’à 30 % de l’ATP nécessaire au métabolisme cellulaire.

Les taux de potassium sont bien plus élevés à l’intérieur qu’à l’extérieur de la cellule – c’est le principal cation intracellulaire. Les taux de sodium sont bien plus élevés à l’extérieur qu’à l’intérieur de la cellule – c’est le principal cation extracellulaire. Ces ions tendent à diffuser leur gradient de concentration, K⁺ vers l’extérieur de la cellule, et Na⁺ vers l’intérieur. Afin de maintenir leurs gradients de concentration, le Na⁺ en excès est constamment expulsé à travers la membrane cellulaire en échange de K⁺ extracellulaire.

Transport en masse (Fig. 3.11)

Le transfert de particules trop volumineuses pour traverser les membranes cellulaires se fait par pinocytose, ou phagocytose. Ces particules sont englobées par des expansions du cytoplasme (voir Fig. 15.1, p. 390), qui les entourent pour former une vacuole limitée par une membrane. La pinocytose se produit quand la vacuole est petite. Dans la phagocytose, des particules volumineuses (par exemple des fragments cellulaires, des matériels étrangers, des microbes) sont englobées dans la cellule. Des lysosomes adhèrent alors à la membrane de la vacuole, libérant des enzymes qui digèrent son contenu.

Figure 3.11 Transport en bloc à travers les membranes plasmiques.

A–E. Phagocytose. F. Exocytose.

L’export de matériel de déchet par le processus inverse à travers la membrane plasmique est appelé exocytose. Les granules de sécrétion formés par l’appareil de Golgi quittent la cellule habituellement de cette façon, comme le fait tout résidu de la phagocytose ne pouvant être digéré.

Tissus

Les tissus corporels sont faits d’un grand nombre de cellules ; ils sont classés selon la taille, la forme et les fonctions de ces cellules. Il existe quatre principaux types de tissus. Ce sont :

• le tissu épithélial, ou épithélium ;

• le tissu conjonctif ;

• le tissu musculaire ;

• le tissu nerveux.

Chacun a des sous-types.

Tissu épithélial (Fig. 3.12)

Ce type de tissu recouvre le corps, et borde les cavités, les organes creux ainsi que les conduits corporels. Il est également présent dans les glandes. La structure d’un épithélium est étroitement liée à ses fonctions, qui sont :

• la protection des structures sous-jacentes contre, par exemple, la déshydratation, les agressions chimiques ou mécaniques ;

• la sécrétion ;

• l’absorption.

Figure 3.12 Épithélium simple.

A. Pavimenteux. B. Cubique. C. Cylindrique.

Les cellules sont très étroitement réunies et la substance intercellulaire, appelée matrice, est minimale. Les cellules reposent habituellement sur une membrane basale , qui est un tissu conjonctif inerte, composé des cellules épithéliales elles-mêmes.

Le tissu épithélial peut être :

• simple, fait d’une seule couche de cellules ;

• stratifié, fait de plusieurs couches de cellules.

Épithélium simple

L’épithélium simple consiste en une seule couche de cellules identiques ; il en existe quatre variétés. Il est habituellement présent sur les surfaces absorbantes ou sécrétrices, où la couche cellulaire stimule ces processus, et il n’est généralement pas présent sur les surfaces exposées à l’agression. Les variétés sont désignées en fonction de la forme des cellules, qui diffère selon leurs fonctions. Plus le tissu est actif, plus les cellules sont grandes.

Épithélium pavimenteux (squameux) simple

Cet épithélium est fait d’une seule couche de cellules aplaties (Fig. 3.12A). Les cellules s’adaptent étroitement les unes aux autres comme des pierres plates, formant une membrane mince et très lisse, à travers laquelle la diffusion se produit librement. Cette membrane borde les structures suivantes :

• le cœur – où elle est appelée endocarde

• les vaisseaux sanguins

où l’épithélium est aussi

• les vaisseaux lymphatiques appelé endothélium

• les alvéoles du poumon

• les tubules collecteurs des néphrons rénaux (voir Fig. 13.9, p. 355).

Épithélium cubique simple

Cet épithélium est fait de cellules de forme cubique (NdT : carrée à la coupe) s’adaptant étroitement les unes aux autres, reposant sur une membrane basale (Fig. 3.12B). Il forme les tubules du rein, et il est présent dans certaines glandes. L’épithélium cubique est activement impliqué dans la sécrétion, l’absorption et l’excrétion.

Épithélium cylindrique simple

Cet épithélium est formé par une seule couche de cellules, rectangulaires à la coupe (NdT : plus hautes que larges, dites aussi prismatiques), sur une membrane basale (Fig. 3.12). Il borde de nombreux organes et subit souvent des adaptations pour convenir à une fonction spécifique. Le bord de l’estomac est composé d’épithélium cylindrique simple sans structures de surface. La surface de l’épithélium cylindrique bordant l’intestin grêle est recouverte de microvillosités (Fig. 3.6). Les microvillosités fournissent une très grande surface pour l’absorption des nutriments depuis l’intestin grêle. Dans la trachée, l’épithélium cylindrique est cilié (voir Fig. 10.12, p. 257), et il fournit aussi des cellules caliciformes qui sécrètent du mucus (voir Fig. 12.5, p. 300). Cela signifie que, dans les voies respiratoires, les particules inhalées qui adhèrent à la muqueuse sont déplacées vers la gorge grâce aux cils (p. 257). Dans les trompes utérines, les ovocytes sont propulsés vers l’utérus par l’action ciliaire.