Atlas_de_physiologie

8/2/2019 Atlas_de_physiologie

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Sommaire

Physiologie gnrale et physiologie cellulaire .......................................................................................................1

Le corps humain : un systme ouvert avec un milieu interne ......................................................................................1

La cellule ......................................................................................................................................................................2

Les mcanismes de transport : un processus fondamental pour les tres vivants ......................................................6

Rle des ions Ca2+ dans la rgulation des processus cellulaires ................................................................................15

Apport et transformation de l'nergie ...........................................................................................................................18

Contrle et transmission de l'information .....................................................................................................................21

Nerf et Muscle ............................................................................................................................................................22

Constitution et fonctionnement de la cellule nerveuse ................................................................................................22

Potentiel membranaire de repos .................................................................................................................................24

Potentiel d'action .........................................................................................................................................................26

Conduction du potentiel d'action ..................................................................................................................................28Potentiels synaptiques .................................................................................................................................................30

Stimulation artificielle du neurone ................................................................................................................................30

L'unit motrice ..............................................................................................................................................................32

La plaque motrice ........................................................................................................................................................32

Constitution et fonctionnement du muscle squelettique ..............................................................................................34

Mcanisme molculaire de la contraction musculaire .................................................................................................38

Proprits mcaniques du muscle ...............................................................................................................................40

La musculature lisse ....................................................................................................................................................44

Les sources d'nergie de la contraction musculaire ...................................................................................................46

L'organisme lors de l'exercice musculaire ...................................................................................................................48

Systme nerveux vgtatif .......................................................................................................................................50

Organisation du systme nerveux vgtatif .................................................................................................................50

Actylcholine comme neuromdiateur .........................................................................................................................54

La noradrnaline. Les rcepteurs adrnergiques ........................................................................................................56

La mdullosurrnale ....................................................................................................................................................58

Sang ............................................................................................................................................................................60

Composition et rle du sang ........................................................................................................................................60

Mtabolisme du fer. Erythropose et anmies ...........................................................................................................62

Proprits hmodynamiques .......................................................................................................................................64

Composition du plasma ...............................................................................................................................................64

Dfense immunitaire ...................................................................................................................................................66

Hmostase ..................................................................................................................................................................74

Coagulation sanguine et fibrinolyse ............................................................................................................................76

Respiration ................................................................................................................................................................78

Les poumons ..............................................................................................................................................................78

Fonctions de la respiration ..........................................................................................................................................78

Mcanique ventilatoire ................................................................................................................................................80

Epuration de l'air inspir ..............................................................................................................................................80
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Respiration artificielle .................................................................................................................................................82

Pneumothorax ........................................................................................................................................................... 82

Mesure des volumes pulmonaires (spiromtre) ....................................................................................................... 84

Espace mort et volume rsiduel ................................................................................................................................ 86

Relation pression/volume des poumons et du thorax. Travail ventilatoire .88

Tension superficielle des alvoles ............................................................................................................................ 90

Dbit respiratoire et tests dynamiques ...................................................................................................................... 90

Echanges gazeux dans les poumons ....................................................................................................................... 92

Circulation pulmonaire. Rapport ventilation-perfusion .............................................................................................. 94

Transport du CO2 dans le sang ................................................................................................................................ 96

Liaison et rpartition du CO2 dans le sang ............................................................................................................... 98

Le CO2 dans le liquide cphalorachidien ................................................................................................................. 98

Liaison et transport de l'O2 dans le sang ............................................................................................................... 100

Dficit en oxygne (hypoxie, anoxie) ...................................................................................................................... 102

Rgulation de la respiration ................................................................................................................................... 104Respiration en plonge ............................................................................................................................................106

Respiration en haute altitude .................................................................................................................................. 108

Intoxication par l'O2 ................................................................................................................................................ 108

quilibre acido-basique ........................................................................................................................................ 110

pH, tampon, quilibre acido-basique ...................................................................................................................... 110

Le tampon bicarbonate-gaz carbonique ................................................................................................................. 112

quilibre acido-basique. Maintien et rgulation ..................................................................................................... 114

Dtermination des rapports acide-base dans le sang ............................................................................................ 118

Rein et quilibre hydro-lectrolytique ............................................................................................................... 120

Structure et fonctions du rein ................................................................................................................................ 120

Circulation rnale .................................................................................................................................................. 122

Filtration glomrulaire. Clairance .......................................................................................................................... 124

Mcanismes de transport dans le nphron ........................................................................................................... 126

Slection des substances. Dtoxication et excrtion dans l'organisme 130

Le rle du rein dans l'quilibre du sodium et du chlore ........................................................................................ 132

Les systmes contre-courant ............................................................................................................................ 134Rabsorption de l'eau et concentration rnale des urines ................................................................................... 136

quilibre hydrique dans l'organisme .................................................................................................................... 138

Contrle hormonal de l'quilibre hydro-lectrolytique .......................................................................................... 140

Troubles de l'quilibre hydro-lectrolytique .......................................................................................................... 142

Diurse et substances action diurtique ........................................................................................................... 142

Rein et quilibre acido-basique ........................................................................................................................... 144

Mtabolisme et excrtion de l'azote .................................................................................................................... 146

Rgulation du bilan potassique ........................................................................................................................... 148

Minralocorticodes ............................................................................................................................................. 150

Excrtion du Ca2+et du phosphate .................................................................................................................... 151

Systme rnine-angiotensine ............................................................................................................................. 152


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Cur et Circulation ......................................................................................................................................... 154

Systme cardiocirculatoire ................................................................................................................................ 154

Le rseau vasculaire ......................................................................................................................................... 156

Echanges liquidiens travers les parois capillaires .......................................................................................... 158

Pression sanguine ............................................................................................................................................ 160

Les phases du fonctionnement cardiaque (le cycle cardiaque) .... 162

Electrophysiologie cardiaque ............................................................................................................................ 164

Modifications et perturbations de l'excitabilit cardiaque .................................................................................. 164

L'lectrocardiogramme ...................................................................................................................................... 168

Troubles du rythme cardiaque (arythmies) ....................................................................................................... 174

Rgulation de la circulation ................................................................................................................................ 176

Hypertension ...................................................................................................................................................... 180

Relations pressions-volume ventriculaires ......................................................................................................... 182

Adaptation du cur aux modifications du remplissage ..................................................................................... 184

Les veines .......................................................................................................................................................... 184

Le choc circulatoire ............................................................................................................................................ 186

Dbit et mtabolisme myocardique .................................................................................................................... 188

Mesure du dbit ................................................................................................................................................. 188

La circulation chez le ftus ............................................................................................................................... 190

quilibre thermique et Thermorgulation ..................................................................................................... 192

Bilan des changes thermiques ......................................................................................................................... 192

Rgulation de la temprature ............................................................................................................................. 194

Nutrition et Digestion ....................................................................................................................................... 196

Nutrition .............................................................................................................................................................. 196

Mtabolisme et calorimtrie ................................................................................................................................ 198

Le tractus digestif ................................................................................................................................................ 200

Dbit sanguin intestinal ....................................................................................................................................... 200

Systme de dfense gastrointestinal ................................................................................................................... 200

Salive ................................................................................................................................................................... 202

Dglutition ............................................................................................................................................................ 204

Vomissement ....................................................................................................................................................... 204

Estomac : structure et motilit .............................................................................................................................. 206

Suc gastrique ........................................................................................................................................................ 208

Intestin grle : structure et motilit ........................................................................................................................ 210

Suc pancratique et bile ....................................................................................................................................... 212

Fonction d'excrtion du foie, formation de la bile .................................................................................................. 214

Excrtion de la bilirubine. Ictre ............................................................................................................................ 216

Digestion des lipides .............................................................................................................................................. 218

Absorption des lipides et mtabolisme des triglycrides ....................................................................................... 220

Lipoprotines, cholestrol ...................................................................................................................................... 222

Digestion des glucides et des protines ................................................................................................................. 224

Absorption des vitamines ....................................................................................................................................... 226


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Rabsorption de l'eau et des substances minrales ................................................................................................ 228

Clon, rectum, dfcation, fces .............................................................................................................................. 230

Bactrimie intestinale .............................................................................................................................................. 230

Systme endocrinien et Hormones ....................................................................................................................... 232

Mcanismes d'intgration de l'organisme ................................................................................................................ 232

Les hormones ........................................................................................................................................................... 234

Rgulation par rtroaction. Principes d'action des hormones ................................................................................... 238

Systme hypothalamo -hypophysaire ....................................................................................................................... 240

Transmission cellulaire du message hormonal ......................................................................................................... 242

Mtabolisme des hydrates de carbone. Hormones pancratiques ... 246

Hormones thyrodiennes .......................................................................................................................................... 250

Rgulation du calcium et du phosphate ................................................................................................................... 254

Mtabolisme osseux ................................................................................................................................................ 256

Biosynthse des hormones strodiennes ............................................................................................................... 258

Corticosurrnale : glucocorticodes ......................................................................................................................... 260

Cycle menstruel ...................................................................................................................................................... 262

Rgulation de la scrtion hormonale pendant le cycle menstruel . 264

Prolactine ................................................................................................................................................................ 264

strognes ............................................................................................................................................................. 266

Progestatifs ............................................................................................................................................................. 267

Rgulation hormonale de la grossesse et de l'accouchement ........ 268

Andrognes, fonction testiculaire, jaculation. ........................................................................................................ 270

Systme nerveux central et Organes des sens ................................................................................................. 272

Structure du systme nerveux central .................................................................................................................... 272

Le liquide cphalorachidien .................................................................................................................................... 272

Perception et traitement des stimulations .............................................................................................................. 274

Les rcepteurs de la peau. La douleur .................................................................................................................. 276

Sensibilit profonde. Rflexes proprioceptifs ........................................................................................................ 278

Rflexes extroceptifs ........................................................................................................................................... 280

Mcanismes d'inhibition dans la transmission nerveuse ....................................................................................... 280

Transmission centrale des stimulations sensorielles ............................................................................................ 282Motricit posturale ................................................................................................................................................. 284

Rle du cervelet .................................................................................................................................................... 286

Motricit dirige ou volontaire ................................................................................................................................ 288

Hypothalamus. Systme limbique. Cortex associatif ............................................................................................. 290

Electroencphalogramme. Comportement veil-sommeil .......... 292

La conscience, le langage et la mmoire ............................................................................................................... 294

L'olfaction ............................................................................................................................................................... 296

La gustation ........................................................................................................................................................... 296

L'quilibration ......................................................................................................................................................... 298

Structure de l'il. Scrtion lacrymale, humeur aqueuse ..................................................................................... 300

L'appareil optique de l'il ....................................................................................................................................... 302

Acuit visuelle. Photorcepteurs rtiniens .............................................................................................................. 304


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Adaptation de l'il des niveaux d'clairement diffrents ................................................................................... 306

Vision des couleurs ............................................................................................................................................... 308

Champ visuel. Voies optiques ............................................................................................................................... 310

Traitement du stimulus visuel ................................................................................................................................ 312

Mouvements oculaires. Perception de la profondeur et du relief .......................................................................... 314

Physique de l'acoustique. Stimulus sonore et perception auditive ... 316

Rception et transmission des sons. Rcepteurs auditifs ..................................................................................... 318Elaboration des sons au niveau central ................................................................................................................ 322

Voix et parole ........................................................................................................................................................ 324

Appendice ............................................................................................................................................................ 326

Units et mesures en physiologie et en mdecine ................................................................................................ 326

Mathmatiques en physiologie et en mdecine ..................................................................................................... 330

Puissances et logarithmes ..................................................................................................................................... 330

Reprsentation graphique des mesures ................................................................................................................ 331

pH, pK, tampon ...................................................................................................................................................... 333

Osmolalit. osmolarit. pression aortique et oncotique ......................................................................................... 335

Ouvrages consulter .......................................................................................................................................... 337


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Principes de base 1

"... Si l'on dcompose l'organisme vivant en isolant ses diverses parties, ce n'est que pour la facilit del'analyse exprimentale, et non point pour les concevoir sparment. En effet, quand on veut donner une proprit physiologique sa valeur et sa vritable signification, il faut toujours la rapporter l'ensemble et ne tirer de conclusion dfinitive que relativement ses effets dans cet ensemble."

Claude Bernard (1865)

Le corps humain : un systmeouvert avec un milieu interne

La vie dans sa plus simple expression estparfaitement illustre par l'exemple d'unorganisme unicellulaire. Afin de survivre,l'organisme, mme le plus rudimentaire, doitfaire face des exigences apparemmentopposes. D'une part, il doit se protger desperturbations de l'environnement, d'autre part,

comme tout systme ouvert (cf. p. 19 et suiv.)il est dpendant des changes de chaleur,d'oxygne, de nutriments, de dchets etd'information avec son environnement.

Le rle de dfense est principalement dvolu la membrane cellulaire, dont les propritshydrophobes empchent le mlange ltal desconstituants hydrophiles du milieu intracellulaireavec ceux du milieu extracellulaire. Lapermabilit de la barrire membranaire certaines substances est assure soit par

l'intermdiaire de pores, soit par des molculesprotiques de la membrane cellulaire appelestransporteurs (cf. p. 10 et suiv.). Lapermabilit aux gaz de la membrane cellulaireest relativement bonne. Bien que ce soit unavantage pour les changes vitaux d'02 et deCOi. cela signifie aussi que la cellule est lamerci d'une intoxication gazeuse, par exemplepar le monoxyde de carbone. La prsence detels gaz. concentration leve, dans le milieuexterne ou d'agents lipophiles comme les

solvants organiques, reprsente une menace la survie cellulaire.

Pour percevoir les signaux de l'environnement,la membrane cellulaire dispose de certainesprotines agissant comme rcepteurs et quitransmettent l'information l'intrieur de lacellule. Seules les substances lipophilespeuvent traverser la membrane sans cetintermdiaire et se combiner avec leursrcepteurs protiques spcifiquesintracellulaires.

Un organisme unicellulaire, dans l'envi-ronnement aquatique originel (A), ne peut treenvisag que si ce milieu est plus ou moinsconstant. L'extraction des

nutriments et le rejet des substanceshabituelles de dchets ne provoquent pas demodification apprciable dans la compositionde l'environnement cellulaire. Nanmoins,mme cet organisme est capable de ragir des modifications du milieu, par exemple deschangements de concentration en nutriments. Ilse dplace l'aide d'un pseudopode ou d'uneflagelle.

L'volution d'un tre unicellulaire vers un animal

multicellulaire, la spcialisation des groupescellulaires en organes, le dveloppementd'tres htrosexus et possdant une certaineforme de vie sociale, le passage de la vieaquatique la vie terrestre, amnent uneaugmentation de l'efficacit, des chances desurvie. du rayon d'activit et d'indpendance del'organisme. Ceci ne peut tre ralis que par ledveloppement simultan de structurescomplexes l'intrieur de l'organisme. Poursurvivre et assurer leurs fonctions, les cellulesindividuelles de l'organisme requirent un milieuinterne de composition proche de celle dumilieu aquatique primitif. Le milieu est mainte-nant assur par le liquide extracellulaire (A),mais son volume n'est pas comparativementaussi grand. En raison de leur activitmtabolique, les cellules doivent extrairel'oxygne et les substances nutritives de celiquide et y rejeter des dchets ; l'espaceextracellulaire va tre inond de cessubstances si l'organisme n'a pas dveloppd'organes spcialiss, entre autres choses,

pour prlever, mtaboliser, transformer, stockerles nutriments, extraire l'oxygne du milieu etvacuer les dchets du mtabolisme. Lesdents, les glandes salivaires, l'sophage,l'estomac, l'intestin et le foie, les poumons, lesreins et la vessie sont tous galementimpliqus.

La spcialisation des cellules et des organespour des fonctions particulires requiert uneintgration. Celle-ci est assure parconvection, sur de longues distances, au

moyen d'informations humorales transmises parle systme circulatoire et de signaux lectriquespar le systme nerveux. De plus, pour assurerl'apport nutritif et l'vacuation des.


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A. Le milieu dans lequel vivent les cellules.

(1) La premire cellule provient du milieuaquatique primitif. Les organismesunicellulaires changeaient des substancesavec le milieu marin, mais sans modificationapprciable de sa composition compte tenu del'immensit de l'ocan.

(2) Les cellules de l'organisme humain

baignent dans le milieu extracellulaire (LEC),dont le volume est plus faible que le volumecellulaire (cf. p. 138).. Ce milieu interne seratrs rapidement altr si l'espace entre lescellules n'est pas reli, au moyen du fluxsanguin, aux organes et systmes assurant lerenouvellement des substances nutritives, deslectrolytes et de l'eau, et l'excrtion desproduits du catabolisme dans les selles et lesurines. La rgulation du milieu intrieur estsurtout assure par les reins (H2 etlectrolytes) et par la respiration (02. C2). Lesconstituants du LEC sont sans cesse vacusau moyen des poumons (H20) et de la peau(N20 et lectrolytes).

dchets et contribuer ainsi au maintien dumilieu intrieur mme dans les situationsd'urgence, les mmes mcanismes contrlentet rgulent les fonctions ncessaires la survieau sens large du terme. par ex. survie del'espce. Ceci comprend non seulement ledveloppement opportun des organes

reproducteurs et la disponibilit de cellulessexuelles matures au moment de la pubert,mais aussi le contrle de l'rection, del' jaculation, de la fertilisation et de lanidification, la coordination des fonctions desorganismes maternel et ftal durant lagrossesse, et la rgulation des mcanismesintervenant lors de la parturition et de la priodede lactation.

Le systme nerveux central traite d'une partles signaux provenant des rcepteurs

priphriques, des cellules sensorielles et desorganes, active d'autre part les effecteurscomme les "muscles squelettiques et influenceles glandes endocrines ; il joue aussi un rledcisif lorsque la conduite ou la pense hu-maine sont engages dans une discussion. Ilest impliqu non seulement dans la recherchede nourriture et d'eau, la lutte contre le froid etle chaud, le choix d'un partenaire, les soins apporter ses descendants mme longtempsaprs leur naissance, et leur intgration dans lavie sociale, mais aussi dans la recherche de

l'origine des mots. des expressions et leurassociation avec certains termes comme ledsir, l'absence de dsir, la curiosit, la joie, lacolre, la crainte et l'envie aussi bien que dansla crativit, la dcouverte de soi et laresponsabilit. Cependant cet aspect dpasseles limites de la physiologie au sens strict duterme comme science des fonctions del'individu, laquelle est le sujet de cet ouvrage.L'thologie, la sociologie et la psychologie sontquelques-unes des disciplines qui avoisinent la

physiologie, bien que des liens certains entreces matires et la physiologie aient ttablisdans des cas exceptionnels.

La cellule

Thorie cellulaire :

1. Tous les organismes vivants sont compossde cellules et de leurs constituants.

2. Toutes les cellules sont semblables dans leur

structure chimique.3. Les nouvelles cellules sont formes pardivision cellulaire partir de cellules existantes.


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4. L'activit d'un organisme est la somme des activitset interactions de ses cellules.

La cellule est la plus petite unit des tres vivants.Une membrane cellulaire dlimite l'extrieur de lacellule; l'intrieur se trouve le cytoplasme cellulaireet les structures subcellulaires, ou organites

cellulaires eux-mmes entours d'une membrane.Les cellules peuvent tre dcrites comme pro-karyotes ou eukaryotes. Les cellules des prokaryotes,comme celles des bactries, ont une organisationinterne assez simple et aucune membrane n'entoureles organites cellulaires.

Les organites de la cellule eukariote sont hautement

spcialiss : le matriel gntique de la cellule estconcentr dans le nuclus, les enzymes digestivesdans les lysosomes. la production oxydative d'ad-nosine triphosphate (ATP) se fait dans les

mitochondries. enfin la synthse protique s'effectuedans les ribosomes.

En dpit d'une spcialisation partielle des cellules del'organisme, leurs lments constitutifs, les organitescellulaires,

ont de nombreux points communs.

Le noyau cellulaire comprend le suc nuclaire(nucloplasme), les granulations de chromt/neet les

nucloles. La chromatine contient le support de l'infor-

mation gntique : l'acide dsoxyribonuclique(ADN).Deux chanes d'ADN (formant une double hlice

pouvant atteindre jusqu' 7 cm de long) sontenroules et plies pour constituer les chromosomesqui ont 10 m de longueur.

Le noyau des cellules humaines contient 46

chromosomes :2X22autosomes et 2 chromosomes

X chez la femme ou / chromosome X et 1 Y chez

l'homme.

L'acide dsoxyribonuclique (ADN) est une longuechane molculaire compose de quatre diffrentsnuclotides : l'adnosine, la thymidine, la guanosine etla cytidine. Son squelette est compos de sucres, lespentoses dsoxyribose, et de rsidus d'acidesphosphoriques, avec des chanes latralescomposes partir des bases suivantes : adnine,thymine, guanine, et cytosine respectivement. Lasquence d'arrangement ou de regroupement desbases puriques constitue le code gntique. Lesdeux chanes d'ADN formant une double hlice sontrelies entre elles par des ponts hydrognes entrebases apparies, sachant que l'adnine ne se lie qu'la thymine. la guanine seulement la cytosine. Lacomposition des nuclotides formant les deux chanesest ds lors complmentaire. l'arrangement d'unechane dterminant la structure de l'autre, si bien

qu'une chane peut servir de substrat (template) pourla synthse d'une chane complmentaire contenant la

mme information. L'ARN est form d'une seulechane, mais le ribose remplace le dsoxyribose etl'uracile remplace la thymine.

Principes de base 3

Le processus de la synthse protique est

fondamentalement un transfert d'information. Inscrite

initialement dans les gnes (ADN) sous forme d'unpolynuclotide. cette information va permettre laformation de protines qui sont des regroupementsd'acides amins. On a estim qu'une cellule type

synthtise, durant sa vie, environ 100000 protinesdiffrentes.

Le nuclole contient l'acide ribonuclique(ARN), et galement de l'ARN messager(ARNm). L'ARNm transmet l'information

gntique reue de l'ADN {transcription} auxribosomes, o l'information est utilise dans leprocessus de synthse protique(translocation). L'ARNm et les autres grosses

molcules passent travers la membrane

nuclaire constitue de deux feuillets (A) parles pores nuclaires. L'ARN de transfert (ARNt)

transporte les divers acides amins lors de lasynthse des protines qui ncessitegalement la prsence d'ARN ribosomal(ARNr).

La premire tape de la synthse protique requiert laformation d'ARN dans le noyau (transcription) enaccord avec l'information contenue dans les gnes(ADN). Chaque acide amin (par ex. la lysine)impliqu dans la synthse d'une protine est cod partrois bases (dans cet exemple -C-T-T-). Ceci forme lecodogne. Pendant la transcription, le tripletcomplmentaire de base (-G-A-A-), le codon, estfabriqu pour servir d'ARNm(messager). La formationd'ARN est contrle par une polymrase, dont l'actionest normalement inhibe par une protine rpressivesitue sur t'ADN. La polymrase est ractive lorsquel'agent rpresseur est inhib (drpression). Ceprcurseur de l'ARNm subit des modifications,coupures et additions de diffrents segments sesextrmits, lors d'une seconde tape intranuclaireappele modification posttranscriptionnelle.L'ARNm s'attache ensuite aux poly-ribosomes ou

polysomes intracytoplasmiques et permetl'assemblage des acides amins (polymrisation)amens vers lui par l'ARNt. Les anticodons que cetARNt possde, sur son extrmit active, vonts'apparier avec le codon (3 bases) complmentaire del'ARNm (-C-U-U- dans l'exemple prcdent). La ca-dence d'assemblage des acides amins estapproximativement de quatre huit acides amins parseconde. Cette tape, la translation, se termine par laformation d'une chane polypeptidique. La derniretape, ou modification posttranslationnelle,comporte la sparation des chanes ou se trouvela nouvelle protine , la modification de certainsacides amins dans la chane , par exemple lacarboxylation des rsidus glutamate enagrgats protiques (cf. p. 74), enfin le plissementde la protine dans sa configuration type. La protine


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4 Principes de base

synthtise est alors emmene jusqu' son sited'action, par exemple le noyau, les organitescellulaires ou en dehors de la cellule dans lesang.

Le rticulum endoplasmique granulaire

(REG) (B-C) est constitu de vsicules aplaties,dont les cavits {citernes) relies entre ellesconstituent une sorte de rseau de a na lieules travers la cellule. Les protines formesau niveau des ribosomes sont avant touttransportes dans les vsicules qui se sontdtaches du REG (cf. ci-dessous). Lesribosomes sont gnralement fixs l'extrieur du REG (d'o le nom de RE rugueuxou granulaire, cf. B et C). Le RE sansribosomes est appel RE lisse. C'est son

niveau que se fait surtout la synthse deslipides (comme les lipoprotines, cf. p. 220 etsuiv.). L'appareil de Golgi (B-C) est constitude saccules aplatis et empils ; de la pri-phrie, des vsicules se dtachent parbourgeonnement. Il participe essentiellementaux processus de scrtion :par exemple, il stocke des protines issues duREG, il synthtise les polysaccharides, les

concentre et les englobe dans une membrane.Les grains de scrtions forms migrent versla priphrie de la cellule (B) et sont dverssdans le milieu extracellulaire par exocytose(par ex. scrtion d'hormones; cf. p. 240), quiest un mcanisme nergie-dpendant.

L'endocytose est le mcanisme inverse detransport par lequel le matriel de gros volume,soit solide soit en solution (pinocytose), peutentrer dans la cellule (cf. p. 12).

Les mitochondries (B et C) sont essentiellespour la cellule. Elles contiennent des enzymesdu cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs) etde la chane respiratoire. Elles sont le lieuprincipal des ractions oxydatives qui librentde l'nergie. L'nergie ainsi produite estaccumule dans un premier temps sous formechimique dans la molcule d'adnosinetriphosphate (ATP). La synthse d'ATP est leplus important pourvoyeur en sources d'nergieimmdiatement disponibles par l'organisme ; ladgradation ou hydrolyse de l'ATP par diversesenzymes (phosphatases, ATPases) librel'nergie utilise dans les ractions cellulaires.Les mitochondries contiennent galement desribosomes et peuvent synthtiser certainesprotines.


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Principes de base 5

Les cellules ayant un mtabolisme intense,par exemple les cellules hpatiques ou lescellules pithliales, spcialises dans letransport (C), sont riches en mitochondries.Les mitochondries sont dlimites par unemembrane externe continue, double d'unemembrane interne qui s'invagine perpendi-

culairement la surface {crtes}. Contrai-rement la membrane externe, la membraneinterne est trs dense et ne laisse passerque les substances pour lesquelles existentdes mcanismes de transport actifs (cf. p.11); (malate, pyruvate, citrate, Ca2+,phosphate. Mg

2+; etc.; H).


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6 Principes de base

Les lysosomes sont des vsicules en-zymatiques. Ils proviennent le plus souvent duRE ou de l'appareil de Golgi {lysosomesprimaires} et servent au transport des protineset la digestion des substances qui ont tcaptes dans la cellule par phagocytose(cf. p.12 et suiv.) ou par pinocytose (cf. p. 129, D).(phagolysosomes. lysosomes secondaires; B).La digestion des organites de la cellule a lieugalement dans ces vsicules {vacuolesautophages ou de cytolyse}. Les lments indigestes sont nouveau transports vers lapriphrie de la cellule et rejets hors de celle-ci(exocytose, B).

Les centrioles interviennent lors de la divisioncellulaire ; les microtubulesassurent surtout larigidit de la cellule et prennent galement une

part importante dans d'autres fonctionscellulaires.

La membrane cellulaire, qu'elle soit lisse ouinvagine (par ex. bordure en brosse et rgionbasale ; C), est constitue de phospholipides,de cholestrol et d'autres lipides, dont les pleshydrophobes (qui repoussent l'eau) se font facedans une double couche, alors que les pleshydrophiles (qui aiment l'eau) sont tourns versle milieu aqueux. Cette membrane lipidiquecontient des protines (en partie mobiles, cf. p.

242) dont une fraction traverse entirement ladouble couche lipidique (A) et joue le rle depores pour le passage des ions polaires (etdonc hydrophiles; F). Des trous peuventparfois se former pendant un court laps detemps dans la membrane ; ces trous , quisont dlimits par les ples hydrophiles deslipides se faisant face, ne jouent probablementpas un rle majeur pour le passage dessubstances polaires.

La membrane cellulaire assure entre autres la

protection du milieu intracellulaire contre lemilieu extracellulaire, le transport de substances(voir ci-dessous), la reconnaissance deshormones (cf. p. 234 et suiv.) et la cohsiondescellules entre elles.

Le clich de la planche C montre des cellulesdu tube proximal d'un rein de rat. La membranede cette cellule spcialise dans la fonction detransport (cf. p. 126 et suiv.) est multiplie par30 60 environ du fait de son invagination aussibien du ct de la lumire du tubule {bordure enbrosse} que du ct sanguin {rgion basale}.On reconnat aussi de nombreusesmitochondries (sige de la production d'ATP quifournit ici l'nergie pour les processus detransport actif).

plusieurs lysosomes ainsi qu'un cytolysomeouvacuole autophagique, des appareils de Golgi,le rticulum endoplasmique granulaire (REG)parsem de ribosomes, des ribosomes libresetla limite entre deux cellules. La jonction desdeux cellules est relativement troite au niveaude la zonula occludens ( jonction tanche =jonction serre). Les noyaux cellulairessont endehors du clich.

Les mcanismes de transport :un processus fondamental pour lestres vivants

Comme nous l'avons dcrit prcdemment. lemilieu intracellulaire est protg du fluideextracellulaire, dont la composition est trsdiffrente, grce la membrane cellulairelipophile. Ainsi, grce l'nergie fournie par lemtabolisme, il est possible de maintenir lacomposition du milieu intracellulaire pourassurer la vie et la survie cellulaire. Les pores,les transporteurs, les pompes ioniques et lesmcanismes cytosiques rendent possible letransport transmembranaire des substancesspcifiques, que ce soit l'absorption dessubstrats ncessaires au mtabolismecellulaire, le rejet des produits du mtabolisme

intermdiaire ou terminal, ou le transport dirigdes ions, lesquels permettent l'tablissement dupotentiel cellulaire qui est la base del'excitabilit des cellules nerveuses etmusculaires. Les consquences de l'entre oude la sortie de substances pour lesquelles lamembrane cellulaire n'est pas une barrireefficace (par ex. pour l'eau et le C2) peuventtre contrecarres ou au moins amoindries parle transport d'autres substances. Une rgulationde ce type empche les variations indsirables

du volume cellulaire et assure la stabilit du pH.Comme la cellule est entirement divise encompartiments (en relation avec leurs contenus)par les diverses membranes des organitescellulaires, il existe galement une granderichesse de systmes spcifiques detransport. On peut citer comme exemplesl'ARN de transfert, l'hormone de transport dunoyau cellulaire, la protine de transport durticulum sarcoplasmique granuleux versl'appareil de Golgi, la captation active et la

libration du Ca2+

dans et hors du rticulumsarcoplasmique, les processus de transportspcifique dans les mitochondries (H) et letransport actif dans les fibres nerveuses (cf. p.22) sur des distances allant jusqu' 1 mtre.


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Principes de base 7

D. Une gap junction comporte des canaux de communication entre cellules adjacentes (par ex. dans le muscle lisse, les

pithlium. les cellules gliales, le foie). (1) Image en microscopie lectronique de deux cellules hpatiques dont les membranes

cellulaires sont en contact au moyen d'une gap junction. (2) Schma reprsentant les canaux. (3) Un complexe globulaireprotique (connexon) d'une cellule 1 est connect bord bord avec un complexe similaire d'une cellule 2 par un fin canal de

telle manire que les espaces cytoplasmiques des deux cellules soient connects. (4) Une unit globulaire (connexon) est

forme de 6 sous-units, chacune ayant une masse molculaire de 27 kD. Les parties terminales des cha nes peptidiquesmettent en contact leur propre cytoplasme, tandis que les deux boucles de la cha ne connectent l'une l'autre leur connexon

l'autre extrmit. La partie de la cha ne colore en bleue en (4) forme la paroi du canal, (d'apr s W. H. Evans, BioEssays, 8 : 3 -

6, 1988).

Chez les organismes multicellulaires, letransport s'effectue entre cellules proches,soit par diffusion travers l'espaceextracellulaire (action de l'hormone paracrine).soit travers des passages appels gapjonctions , qui sont caractriss par uneintgrit de deux cellules voisines (D). Les gapjunctions permettent le passage de substancesde masse molculaire allant jusqu' plusieurscentaines de Dalton. Les ions peuventgalement utiliser cette voie, les cellules tantd'un point de vue fonctionnel intimement

associes (on parle de syncitium). On peutciter comme exemples l'pithlium (voir ci-dessous), le muscle lisse et les cellules glialesdu systme nerveux central (CNS). JLQ

couplage lectrique (ionique) par exemple, per-

met l'excitation des cellules musculaires lissesde s'tendre aux cellules voisines, ce qui creune vague d'excitation se propageant l'organetout entier (estomac, intestin, canalicules bi-liaires, utrus, uretre etc ; voir galement page44). La prsence de gap junctions permetgalement aux cellules gliales et pithlialesd'assurer ensemble et harmonieusement leursfonctions de transport et de barrage (voir ci-dessous). Si, cependant, la concentration enCa

2+augmente dans l'un des constituants

cellulaires, comme par exemple dans le casextrme d'une membrane de fuite, les gap junctionsse ferment. En d'autres termes, dans l'intrt de


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8 Principes de base

toutes les fonctions, chaque cellule estautorise combattre ses propres problmes.

Transport transcellulaire

Chez les organismes multicellulaires, le rle de

la membrane cellulaire en tant que protection oubarrire entre l'intrieur et l'extrieur est souventassur par le regroupement de cellules demme fonction. Les pithlium(de la peau, del'appareil digestif, du tractus urognital, del'appareil respiratoire, etc.), les endothliumvasculaires et les cellules gliales du SNCconstituent des ensembles protecteurs de cetype. Ils sparent le compartimentextracellulaire d'autres milieux de compositiondiffrente formant l'environnement naturel del'organisme, comme l'air (pithlium cutan etbronchique), les contenus de l'appareil digestif(estomac, intestin), les espaces contenant labile ou l'urine (vsicule biliaire. vessie, tubulernaux) l'humeur aqueuse des yeux, le liquidecrbrospinal (barrire entre le sang et leliquide cphalorachidien), le milieu sanguin(endothlium) et le milieu extracellulaire dusystme nerveux central (barrirecrbromninge). Nanmoins, certainessubstances doivent tre transportes traversces barrires ; ce dplacement s'effectue par

transport transmembranaire, l'entre d'un ionou d'un compos dans la cellule est combineau mouvement d'un autre compos en sensinverse. Plusieurs autres cellules (par exempleles globules rouges) dont la membraneplasmatique prsente des proprits uniformesle long de sa circonfrence, comme les cellulespi- ou endothliales, sont concernes par cesmcanismes (cf. C) ; ce sont des cellulespolarises.

Le transport de substances peut se faire non

seulement travers la membrane des cellulesmais galement entre cellules :on parle alors de transport paracellulaire outranspithlial. Quelques pithlium (par ex.celui de l'intestin grle et celui du tubule rnalproximal) sont cet gard relativementpermables ou totalement permables, alorsque d'autres le sont moins (par ex. au niveau dutubule distal ou du clon). Cette plus ou moinsgrande permabilit dpend de l'tat des jonctions serres (C) par lesquelles les

cellules adhrent les unes aux autres. Labordure cellulaire et son degr de permabilit(qui peut, par exemple, tre spcifique auxcations) sont des lments fonctionnelsimportants de l'pithlium.

Les grosses molcules peuvent traverser labarrire endothliale des parois vasculairessanguines par une combinaison d'endocytosed'un ct et d'exocytose de l'autre ct, aussibien que par transcytose (cf. p. 13), mais dansce cas le transport paracellulaire travers les jonctions intercellulaires semble jouer quanti-tativement un rle plus important. Lesmacromolcules anioniques comme l'albumine,qui sont indispensables dans le milieu sanguinen raison de leur proprit oncotique (cf. p.158), sont maintenues sur les parois pithlialespar des charges lectriques.

Enfin, il y a ncessairement des transports longue distance d'un organe vers un autre etde diffrents organes vers le milieu environnant.Le moyen de transport principal utilis dans detelles situations est la convection. Leschanges entre organes s'effectuent parl'intermdiaire des voies sanguine etlymphatique ; les changes avec l'envi-ronnement sont raliss au moyen du courantgazeux dans l'appareil respiratoire, du fluxurinaire dans les reins et le tractus urinaire, etpar transport liquidien travers le tractusdigestif (bouche-estomac-intestin).

Les chapitres suivants dcrivent brivement lestypes, phnomnes et lois qui rgissent lesmcanismes de transport, et leur significationfonctionnelle pour l'organisme.

Transport passif

La diffusion d'une substance est un processusde transport fondamental. Elle peut se produirelorsque la substance est plus fortementconcentre dans le milieu de dpartque dans lemilieu d'arrive, c'est--dire lorsqu'il existe ungradient de concentration.

Par exemple, lorsque l'on pose des fleurs surune table dans une pice, leur parfum serpand dans la pice (mme sans courant

d'air!), autrement dit le parfum diffuse del'endroit o il est le plus concentr (fleurs) versl'endroit o il est le moins concentr(environnement).

Une diffusion unidirectionnellepeut se faire enl'absence de diffrence de concentration. Dansce cas, la valeur de cette diffusion est la mmedans toutes les directions et la diffusion netteest alors gale zro.

Dans l'air (et d'une faon gnrale dans

les gaz) ce processus de diffusion sedroule relativement vite, mais il est pluslent dans les liquides et en particulier dansl'organisme. Le temps de diffusion nces-


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10 Principes de base

de la ventilation pulmonaire (cf. p. 78 et suiv.).de l'limination de l'urine et des fces, etc.Par exemple, lors du transport du gaz carbonique (cf.

p. 96), diffusion et transfert alternent :diffusion des tissus vers le sang, transfert sanguin des

tissus vers le poumon, diffusion du sang vers l'air

alvolaire, transfert de cet air des alvoles versl'extrieur.

On parle de convection (cf. p. 192 et suiv.) lorsdu transport de l'nergie thermique par lesang et lors du rejet de la chaleur sous formed'air rchauff.

Un autre mcanisme de transport, la filtration,se produit au niveau des diffrentes membranesde l'organisme. condition que la membranesoit permable l'eau. Si un gradient de pres-sion apparat entre les deux faces de lamembrane (par exemple une pression sanguinerelativement leve dans les capillairessanguins et une faible pression dans l'espaceinterstitiel, cf. p. 158), le liquide est alorsexpuls travers la membrane. Les substancespour lesquelles les pores de la membrane sonttrop petits ne traversent pas, par exemple lesprotines dans les capillaires sanguins, tandisque d'autres substances de taille molculairemoindre (Na

+. Cl

-) sont filtres avec leur solvant

travers la membrane et sont donc soumises une sorte de transfert (cf. ci-dessous). Denombreuses substances de petite taillemolculaire, qui. en elles-mmes, peuvent trefiltres, se lient aux protines du plasma : cetteliaison est appele liaison plasmatique ouliaison protique. Elle empche plus ou moinsla filtration de ces substances, en particulier auniveau du glomrule rnal (cf. p. 126 et suiv.).Illustrons ceci par un exemple : lors du passage rnal, 20%

environ du liquide plasmatique et donc aussi 20 % d'une

substance filtrable sont filtrs par le glomrule rnal. Mais sicette substance est lie pour 9/10e aux protinesplasmatiques, seul 1/10e peut tre filtr, ce qui signifie que

2 % seulement sont filtrs chaque passage rnal.

La liaison protique a plusieurs fonctions : a) elle

empche l'limination de nombreuses substances (par

exemple l'hme), b) elle constitue la forme de

transport de certaines substances (par exemple le

fer), c) elle constitue un stock immdiatement

disponible d'ions plasmatiques importants (Ca2+,

Mg

2+

), etc. Du point de vue mdical , la liaison

plasmatique joue aussi un rle important lors del'administration de mdicaments. car la fractionde ces mdicaments lie aux protines n'est nipharmacologiquement active ni filtrable(limination urinaire retarde), et par ailleurselle peut agir comme allergne (cf. p. 72).

Des substances dissoutes peuvent tre

entranes lors du passage de l'eau traversl'pithlium (paroi intestinale, tubule rnal). Onparle alors d'un transport par solvent drag.La quantit de matire dissoute ainsitransporte dpend, outre du dbit de l'eau etde la concentration de matire, de la facilitavec laquelle les particules de matiretraversent les pores de la membrane ou de laquantit de particules qui ne traversent pas lamembrane, les particules tant donc rflchies . On parle alors de coefficient de

rflexion . Pour les grosses molcules quisont totalement rflchies, autrement dit qui nepeuvent tre transportes par solvent drag ,est gal 1 et pour les molcules plus petitesa est infrieur 1. Par exemple. l'ure dans letube proximal du rein a un coefficient derflexion = 0,68.

Pour les particules de matire chargeslectriquement (ions), une diffrence depotentiel, en particulier au niveau d'unemembrane cellulaire, peut constituer une forme

de transport (cf. p. 14) :les ions positifs (cations) migrent alors vers leple ngatif de la membrane et les ions ngatifs(anions) vers le ple positif. Mais pour que cetype de transport soit effectif, il faut que cettemembrane soit permable l'ion concern, cequi est dtermin par le coefficient de permabi-lit P(cf. p. 9).

La quantit d'ions transporte par unit detemps dpend, outre du coefficient depermabilit membranaire de cet ion, de lacharge (z) de l'ion, de la diffrence de potentielet de la valeur moyenne de la concentrationionique (c'est--dire de l'activit ionique (c), cf.p. 9) de part et d'autre de la membrane. Plussimplement, la permabilit ionique d'unemembrane peut tre dfinie par la conductancelectrique g (cf. p. 9). Si l'on introduit g laplace de la rsistance dans la loi d'Ohm, onobtient (cf. aussi P. 14) :

gion = courant ionique/potentiel d'entranement (4).

On entend par diffusion facilite un transportpassif facilit par un transporteur situdansla membrane.

Etant donn que les substances biologiquement im-


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portantes sont pour la plupart polaires et que,de ce fait, leur simple diffusion (cf. p. 8) travers la membrane serait trop lente, il existepour un certain nombre de substances, glucose.Na+, etc., des protines situes dans lamembrane - prcisment les transporteurs - qui

fixent la molcule transporter d'un ct de lamembrane et s'en sparent de l'autre ct. Onne sait pas si le transporteur diffuse travers lamembrane, s'il pivote ou s'il modifie saconformation. Ce type de transport partransporteurs est saturable et spcifique pourdes substances ayant une troite analogie destructures (on parle d'inhibition comptitive).Il se distingue du transport actif (cf. ci-dessous)par le fait qu'il s'agit d'un transport selon ungradient lectrochimique (cf. p. 14).

Transport actif

Dans l'organisme, le transport des substancesse fait aussi et surtout contre un gradient deconcentration et/ou contre un gradientlectrique (potentiel).

Ceci ne peuts'effectuer par le transport passifdcrit ci-dessus (qui se fait dans le sens ducourant, c'est--dire selon un gradient), maisseulement par des mcanismes de transportactif. Ceux-ci ncessitent de l'nergie, car ilsdoivent transporter les substances contre ungradient. Une partie importante de l'nergiechimique apporte l'organisme sous formed'aliments est transforme en composs richesen nergie et utilisables par tous les tresvivants (par exemple l'ATP. cf. p. 17). Cettenergie est utilise notamment pour le transportactif.

Dans le transport actif primaire, l'hydrolyse de

l'ATP produit directementde l'nergie utilisablepour les mcanismes de pompe ionique .Ces pompes sont aussi appeles ATPases. Onpeut citer l'omniprsente Na+-K+ (active) -ATPase, mais galement la Ca+-ATPasesarcoplasmique et l'H+-ATPase du tubecollecteur rnal comme autant de mcanismesactifs permettant le transport de Na+. K+, Ca+ou H+ respectivement.

Dans le transport actif secondaire d'uncompos (par exemple le glucose) il y a

couplage par un transporteur avec unmcanisme de transport passif d'un ion (parexemple le Na+). Dans ce cas, le gradient deNa+ est la force motrice

Principes de base 11

qui doit tre maintenue indirectement par unmcanisme de transport actif de Na+ diffrents endroits de la membrane cellulaire.Ce mcanisme est appel cotransport(simport) si la substance implique est dplacedans le mme sens que l'ion moteur (par

exemple le Na+ avec le glucose) ou contre-transport (antiport) si le gradient de Na+, dansce cas, dplace l'ion H+ dans le sens oppos.Citons comme exemple de transports actifs primaires

ou secondaires l'excrtion du Na+, du glucose et des

acides amins par le tubule rnal (cf. p. 126 et suiv.),

l'absorption de ces substances partir de l'intestin

(cf. p. 224 et suiv.), la scrtion de l'acide

chlorhydrique dans l'estomac (cf. p. 208). le transport

du Na+ au niveau de la cellule nerveuse (cf. p. 24 et

suiv.), etc. Ces mcanismes de transport actif pr-sentent les caractristiques suivantes '.

ils sont saturables, autrement dit ils ne peuvent

assurer qu'un taux de transport maximal dtermin

(cf. rabsorption du glucose dans le rein, p. 128),

ils sont plus ou moins spcifiques, ce qui signifie

que seules certaines substances de structure chimique

analogue sont transportes par un systme (cf.

fonction d'puration du foie, p. 214 et suiv.),

ces substances analogues sont souvent plus ou

moins bien transportes, ce qui signifie qu'elles

possdent une affinit diffrente (~ 1/Km; cf. ci-

aprs) pour le systme de transport,

ils sont perturbs lorsque lapport d'nergie

cellulaire est dfaillant.

Le taux de transport Jsat, de ce type de transportsaturable se calcule gnralement suivant la cintique

de Michaelis-Menten :

Jsat = Jmax-C/(Km + C) [mol.m-2

.s-1

],

C tant la concentration finale de la substance transporter, Jmax le taux de transport maximal de la

substance et Km sa concentration de demi-saturation,

c'est--dire pour 0.5 Jmax (cf. p. 333).

Cytose

La cytose est un mcanisme de transportactif compltement diffrent.Elle comprend la formation,avec consomma-

tion d'ATP, de vsicules intramembra-


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naires, d'environ 50-400 nm de diamtre, qui sedtachent ensuite par tranglement de la membrane

plasmique ou de la membrane des organitescellulaires (rticulum endoplasmique granulaire,

appareil de Golgi, cf. p. 4). Grce la cytose

spcifique, ce sont principalement lesmacromolcules (protines, polynuclotides et

polysaccharides) qui sont transfres dans la cellule

(endocytose), ou qui en sortent (exocytose). Letransport des grosses molcules l'intrieur de la

cellule s'effectue galement par ces vsicules, par

exemple le transport des protines du REG vers

l'appareil de Golgi. Deux formes diffrentes

d'endocytose peuvent tre distingues. L'une, la

pinocytose, est un mcanisme de transport continu,

non spcifique, permettant l'entre dans la cellule de

liquide extracellulaire au moyen de vsicules

relativement petites, la manire d'un goutte goutte. Dans le mme temps, des molcules

dissoutes, grandes ou petites, sont sans distinction

transfres dans la cellule.

La seconde forme d'endocytose requiert la prsence

de rcepteurs sur la face externe de la membranecellulaire. Une seule et mme cellule peut possder

plusieurs types diffrents de rcepteurs (environ 50

sur un fibroblaste). On peut trouver jusqu' 1 000rcepteurs concentrs sur les sites membranaires

(aussi appels protines de transfert) l'endroit o

l'intrieur de la membrane est doubl (coated pits- fosse mantele ou encore puits recouvert ;

voir E2) de protines spcifiques (principalement

clathrine). Puisque c'est cet endroit que dbute

l'endocytose. les vsicules endocytosiques sont

temporairement recouvertes de clathrine ( vsicules

manteles ou vsicules recouvertes ). Cette

endocytose s'effectuant via un rcepteur (=endocytose d'absorption) est spcifique puisque les

rcepteurs peuvent seulement reconnatre certaines

substances et seules celles-ci peuvent tre captes par

endocytose jusqu' l'intrieur de la cellule.Conscutivement l'endocytose, le manteau ouenveloppe est transfr dans la cellule, et il s'ensuit

une fusion avec les lysosomes primaires (B) dontles enzymes hydrolytiques vont digrer la substance

pynocite pour former les lysosomes secondaires.

Les petites molcules rsultant de cette digestion,tels les acides amins, les sucres et les nuclotides.

sont transportes travers la membrane lysosomale

vers le cytoplasme o elles sont disponibles pour lemtabolisme cellulaire.

De tels mcanismes de transport travers lamembrane lysosomale sont spcifiques. Si, parexemple, le facteur responsable du transfert del'amino-acide L-cystine est dfectueux (gnti-quement), la cystine (dont la solubilit est plus faible)

va s'accumuler et prcipiter dans les lysosomes,causant finalement des dommages aux cellules et l'organe tout entier (cystinose).

Les phospholipides de la membrane cellulaire, utilissdans les processus d'endocytose pour former lesparois des vsicules, sont rincorpors dans lamembrane cellulaire, en mme temps que lesprotines des rcepteurs et la clathrine, par desprocds de recirculation globalement inexpliqus.Certaines autres protines membranaires. commecelles mises en jeu dans les pompes ioniques(appeles protines rsidentes) sont pour la majoritnon impliques dans ces procds rapides et continusde recirculation.

Un exemple d'endocytose par rcepteur est le captagedu cholestrol et de ses esthers. Ils sont transportspar l'intermdiaire du plasma dans les lipoprotines detype LDL (cf. p. 222 et suiv.) vers les cellules

extrahpatiques. Lorsque ces cellules ont besoin decholestrol, par exemple pour la synthsemembranaire ou pour la production d'hormonesstrodes, elles incorporent dans leur membranecellulaire une plus grande quantit de rcepteurs desLDL qui reconnaissent et lient les LDL-protines (apoli-poprotines), augmentant ainsi l'endocytose des LDL.Une particule de LDL de 22 nm est capable de fixerenviron 1500 molcules d'esthercholestrol. Lespatients ayant un dfaut gntique de ces rcepteursdes LDL ont un taux de cholestrol plasmatique levavec comme consquence une athrosclroseprmature.

On peut citer d'autres exemples d'endocytose parrcepteur, comme le captage cellulaire du fer de latransferrine, de l'hme de l'hmopexine, del'hmoglobine de l'haptoglobine (cf. p. 63) et descobalamines au moyen de leur diffrents mcanismesde transports protiques membranaires (cf. p. 226).

La phagocytose des organismes pathognes (parreconnaissance des complexes antigne-anticorps) etdes dbris cellulaires endognes, pour lesquels lesgranulocytes neutrophiles et les macrophages sontspcialiss (cf. p. 66 et suiv.) se fait galement, demanire habituelle, par l'intermdiaire de rcepteur

(voir aussi opsonisation ; p. 66 et suiv.). L'aspectquantitatif de la phagocytose est illustr par le faitqu'en une heure environ 10 billions de vieux rythro-cytes sont dtruits par ce mcanisme (p. 60), et queles macrophages par exemple phagocytent en uneheure environ 125% de leur propre volume et 200% deleur membrane cellulaire.

Quand l'insuline se lie aux rcepteurs sur la surfacedes cellules cibles, le complexe hormone-rcepteurmigre dans les puits recouverts et subit alors uneendocytose (il est internalis; cf. p. 248). De cettemanire, la densit des rcepteurs capables de lierl'hormone est diminue ( down rgulation :

diminution de l'affinit des sites rsiduels par desconcentrations leves d'insuline).


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L'exocytose est galement un processusrgul. Les hormones (par ex. celles du lobepostrieur de l'hypophyse ; cf. p. 240). lesneurotransmetteurs (cf. l'actylcholine. p. 54) etles enzymes (cf. les acini pancratiques; p. 212)peuvent, comme des vsicules premballes,

tre libres en rponse une augmentation dela concentration intracellulaire de Ca

2+. Il est

probable que le Ca2+

intracellulaire agisse nonsous sa forme libre, mais par l'intermdiaired'une protine de liaison, la calmoduline.

Le transport transcellulaire de macromolcules(protines, hormones) peut galement se fairepar pinocytose. L'endothlium, par exemple,capte la molcule d'un ct de la cellule et lalibre, inchange, de l'autre ct (trans-cytose).


La cytose comme moyen de locomotion

En principe, la plupart des cellules sontcapables de se dplacer activement l'intrieurde l'organisme, bien qu'un petit nombreseulement utilise cette possibilit. Les seules

cellules quipes spcialement pour de telsdplacements sont les spermatozodes, quipeuvent nager une vitesse de l'ordre de 35m/S par agitation de leur flagelle caudal.D'autres cellules, comme les fibroblastes. sedplacent galement, mais beaucoup pluslentement, la vitesse de 0.01 m/s (E1). Encas de lsion par exemple, ils se dplacent auniveau de la blessure et participent lacicatrisation. On peut encore citer lesgranulocytes et les macrophages, lesquels,attirs par chimiotactisme, traversent la paroivasculaire et migrent dans


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la direction de l'invasion bactrienne (migration; cf.

p. 66 et suiv.). enfin les cellules tumorales quiexercent leurs effets dvastateurs vers les diffrents

tissus de l'organisme qu'elles envahissent.

Le dplacement de telles cellules se fait par

glissement sur une base solide, comme pour lesamibes (E). Ceci est possible par endocytose du ct

de la membrane sur la partie la plus loigne du but

atteindre, par transport intracellulaire travers lacellule travers les vsicules d'endocytose et leur

rincorporation dans la paroi vasculaire, enfin par

exocytose prs du but atteindre (E3). Lesfibroblastes renouvellent environ 2 % de la

membrane cellulaire/min par ce mcanisme.

Le cycle est complt par des dplacementsobligatoires "d'avant en arrire", par des mouvements

semblables ceux d'une chenille, des diffrentesrgions de la membrane cellulaire non impliques

dans la pinocytose. Puisque la membrane cellulaire

des fibroblastes adhre surtout la fibronectine de la

matrice extracellulaire, la cellule se dplace en avant

par rapport la matrice (E3). L'adhrence de la

cellule requiert galement la prsence de rcepteurs

spcifiques, par exemple la fibronectine dans le cas

des fibroblastes.

Potentiels lectriques dus aux processusde transport

Le transport d'ions signifie un dplacement decharge, c'est--dire l'apparition d'un potentiellectrique. Par exemple, si des ions K+ diffusenthors de la cellule, il se cre un potentiel dediffusion, au cours duquel la cellule devientpositive l'extrieur par rapport l'intrieur. Siun ion de mme charge diffuse galement contre-courant ou si un ion de charge oppose(tel Cl-) diffuse dans le mme sens, ce potentielde diffusion n'est que transitoire. Par contre, sides ions non diffusibles (comme les protinesintracellulaires) ou si les ions concerns nepeuvent franchir la membrane qu'en faiblesquantits mais peuvent en revanche tretransports activement en sens contraire (Na+).le potentiel de diffusion persiste (cf. p. 24). Maisil entrane les ions K+ qui avaient diffus horsde la cellule (diffusion le long d'un gradientchimique) nouveau vers l'intrieur de la cellule(transport par potentiel, cf. p. 10).

La diffusion des ions K+ demeure

jusqu' ce que les deux gradients soientidentiques, mais opposs, c'est--dire jusqu'ce que leur somme, ou le gradientlectrochimique, soit gale zro. Il existealors une diffrence de concentration ioniquedtermine de part et d'autre de la membrane(concentration d'quilibre) laquellecorrespond un potentiel dtermin (potentield'quilibre).

Le potentiel d'quilibre Ex de l'ion x entret'intrieur (i) et l'extrieur (e) de la membranecellulaire est calcul d'aprs l'quation deNernst (cf. aussi p. 24) :

Ex = R.T.(F.z)-1.ln ([X]e/[X]i.), (5)

R tant la constante des gaz (= 8.314 J K-1 mol-

1), T la temprature absolue (dans le corps

= 310 K). F la constante de Faraday, donc lacharge par mole (= 9.45.10

4A.s.mol

-1), z la

charge de l'ion (+ 1 pour K+, +2 pour Ca2+

, -1pour Cl-, etc.). In le logarithme naturel et [X] laconcentration effective de l'ion x. Pour latemprature du corps (310 K), R.T/F = 0.0267V-

1. Si l'on transforme maintenant In ( Me / Mi )

en -In ([X]e/[X]i) et galement In en log (In = 2,3 log

6). l'quation (5) peut alors s'crire :

Ex = -61.log ([X]i/[X]e) (mV). (6)

Par exemple, si l'ion x est K+. si [K+]i = 150mmol/kgH2O et [K+]e = 5 mmol/kgH2O, lepotentiel d'quilibre de K+ est alors Ek = - 90mV (cf. aussi p. 24 et p. 25. B).

Lorsque le potentiel d'quilibre est atteint. laquantit d'ions qui se dplace selon le gradientchimique dans une direction est gale laquantit d'ions repousse par le potentiel ensens inverse. La somme des deux, appelecourant ionique net, est donc nulle. Mais cecourant s'carte de zro lorsque le potentiel de

membrane de repos (Em s'loigne du potentield'quilibre (Ex). Le potentiel d'entranement ducourant ionique net (Ix est donc Em-Ex). La loid'Ohm pour le courant ionique (cf. p. 10quation (4)) s'crit donc :

gx = Ix/ (EmEx) (7)

(Units : gx superficie de la membrane en S.m-2;

lx superficie de la membrane en A.m-2; E en V.)

Dans la cellule au repos (cf. p. 24), Em-70m V.Ek - 90mV et ENa+70mV.


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Ce qui donne pour Na+

un potentield'entranement de 140mV environ, pour K+ unpotentiel d'entranement d'environ 20 mV (dansle sens oppos). Un lNa important est donc vituniquement au repos, car gNa est trs faible ce

moment-l (environ1/10-1/100 de gk. Par contre,si les pores de Na+ s'ouvrent brivement aumoment du potentiel d'entranement (cf. p. 26)(activation des canaux de Na

+; cf. ci-dessous),

le Na+ pntre alors trs rapidement dans lacellule du fait du potentiel d'entranement lev.

Pour Na+, Ca2+

, K+. Cl- et les autres ions, la conductance de la membrane cellulaire estgnralement plus qu'une simple donnephysique. En effet, dans de nombreusesmembranes cellulaires, le flux passif de Na+

dirig vers l'intrieur est facilit par destransporteurs qui peuvent simultanmentcotransporter le glucose ou les ions H+ dirigsen sens inverse (cf. p. 128). Dans d'autresmembranes cellulaires (nerf, muscle), il existedes canaux spcifiques pour les diffrents typesd'ions, la conductance du canal pouvants'adapter (cf. ci-dessous).

On parle de transport lectriquement neutrelorsque, au cours du transport actif d'ions (parex. Na+) par ce mme mcanisme utilisant des

transporteurs, un ion de charge oppose (parex. Cl-) est transport dans la mme directionou un ion de mme charge (par ex. H+) dans ladirection oppose avec comme rapport decharge 1/1. Mais si 3 ions Na+ sont transportsdans une direction et, simultanment, 2 ions K+dans l'autre direction (par ex. pour la Na+ - K+ -ATPase). l'ion Na+ excdentaire dveloppe unpotentiel : on parle alors de transport lec-trogne (ou rhogne).

Rgulation de la permabilit desmembranes aux ionsDans certaines cellules, la conductance auxions peut tre modifie par la prsence decanaux ou pores, gnralement spcifiquesd'un ion ou d'un groupe d'ions, qui peuvent treouverts ou ferms par une sorte de porte (gte). L'ouverture de ces portes peut trergle par le niveau du potentiel cellulaire (parexemple les fibres nerveuses et musculaires) outre influence par une substance chimique(par

exemple action postsynaptique del'actylcholine, cf. p. 54; F).

Lors de l'excitation du muscle cardiaque. les


canaux Ca2+

s'ouvrent (relativement lentement)et, simultanment, la permabilit des poresaux ions K+ diminue. Les canaux Na+ s'ouvrentdans ce cas trs rapidement, mais pour une trscourte dure. On pense que ces pores Na+disposent de deux portes successives, l'une

tant ouverte au repos et l'autre ferme.L'excitation (dpolarisation, cf. p. 26) ouvre{active} la porte prcdemment ferme etferme {inactive} aussitt aprs la porte prcdemment ouverte. Au dbut du potentield'action, pendant le cours laps de temps o lesdeux portes sont ouvertes (conductanceNa+ leve, cf. p. 26), le Na+ pntrebrusquement dans la cellule.

Un potentiel d'action ouvre des pores Ca2+

dansles terminaisons nerveuses pr-synaptiques;

le Ca2+

pntre et active la libration deneurotransmetteurs (cf. p. 54 et suiv.) ou lalibration d'hormones (post-hypophysaires parexemple, cf. p. 240).

L'exocytose est galement rgle dans lescellules exocrines (comme dans le pancras)par le flux de Ca

2+(cf. ci-dessous). L'ouverture

des pores de Ca2+

, commande par le potentield'action cr dans les tubules longitudinaux dumuscle squelettique, provoque la contractionmusculaire (cf. p. 36 et suiv.).

Un principe tout fait gnral dans l'organismeveut donc que des gradients lectrochimiques(milieu intracellulaire pauvre en Na+) soientutiliss par des pompes ioniques activesrelativement lentes (par ex. Na+-K+-ATPase :env. 1 mol.m-2.s-1) puis que les gradientslectrochimiques obtenus soient utiliss, par lebiais de la rgulation de la permabilitmembranaire passive (pores), pour les fluxioniques rapides (par ex. flux de Na+ lors dupotentiel d'action : env. 1 mmol m-

2 s-

1).

Rle des ions Ca2+lors de largulation des processus cellulaires

Le Ca2+

est pour 50% environ li aux protinesplasmatiques et pour 50 % sous forme libre (cf.p. 151 et p. 254). La forme libre ( 2,9 mmol/l)est largement prdominante dans le liquideinterstitiel du fait de la faible concentration enprotines. Dans le cytoplasme, donc l'intrieurde la cellule, la concentration est beaucoup plusfaible(0.1-0.01 mol/l) ;

ceci est la consquence du transport actif qui


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F. Ouverture ou permabilit des canaux ioniques. (1) Elle se fait obligatoirement par lemoyen d'un ligand, par ex. un mdiateur chimique comme l'actylcholine au niveau synaptique, ouune hormone, ou (2) par la dpolarisation d'une membrane cellulaire, par ex. d'une cellule nerveuse,musculaire ou pithliale. Les canaux membranaires ou pores ne sont pas ouverts ou ferms demanire synchrone, mais la probabilit du canal d're ouvert ou ferm augmente ou diminue enfonction de ces mcanismes. La force rsultante pour le passage des ions est la somme desgradients lectrique (potentiel membranaire) et chimique (diffrence de concentration) des ions depart et d'autre de la membrane, appel communment gradient lectrochimique. (D'aprs B. Albertset coll. : Molecular biology of th cell. Ist Ed. Garland. New York and London 1983. p. 299).


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rejette en permanence le Ca2+

hors de lacellule. Un transport actif primaire par Ca

2+a

t dmontr comme venant s'ajouter untransport actif secondaire inverse dpendant dugradient de Na+.

La concentration intracellulaire de Ca2+

est

rgle par un flux de Ca2+ passif plus ou moinsimportant provenant de l'espace extracellulaire(cf. ci-dessus) ou d'autres rservoirs de Ca2+.Ce flux peut tre dclench par des potentielsd'action(cf. p. 164) ou par des transmetteurs ouhormones (cf. p. 242 et suiv.) qui possdent desrcepteurs l'extrieur de la membranecellulaire (ainsi pour l'actylcholine, F).Lors de l'arrive d'un potentiel d'action auniveau du muscle squelettique, leCa

2+provenant des tubules longitudinaux -

lesquels constituent un rservoir spcifique pourle Ca

2+- pntre dans la cellule musculaire o il

est li la troponine C, ce qui provoque lacontraction musculaire (couplagelectromcanique, cf. p. 36 et suiv.)Au niveau du muscle cardiaque, le Ca2+provient galement des tubules longitudinauxcomme du LEC. L'augmentation de laconcentration intracellulaire du Ca

2+conduit l

aussi une contraction ; le flux supplmentairede Ca

2+qui est relativement lent et qui provient

de l'espace extracellulaire pendant l'excitation,est tel que le potentiel d'action du myocardepossde un plateauparticulirement long (200-500 ms), qui explique la loi du tout ou rien laquelle obit la contraction du cur (cf. p.166). Par ailleurs, la concentration intracellulairede Ca

2+influence la puissance contractile du

myocarde.

Au niveau du muscle lisse, un flux de Ca2+

estgalement dclench par un potentiel d'action,un neurotransmetteur ou une hormone. Lercepteur intracellulaire primaire du Ca2+ estvraisemblablement ici (comme dans beaucoupd'autres cellules) la calmoduline.

Cette protine, d'un poids molculaire de 16700, a une forte

analogie de structure avec la troponine C (cf. p. 34 et suiv.) ;

chaque mole fixe 4 moles de Ca2+ Le complexe Ca2+-

calmoduline forme, en association avec une autre protine,

une enzyme (MLCK = Myosin Light Chain Kinase) capable

de phosphoryler la mromyosine lgre (cf. p. 34) ou

chane lgre de la myosine. La myosine modifie alors saconformation, ce qui permet l'actine d'activer l'ATPase de

la myosine, d'o la contraction. Une diminution du Ca2+ et

une dphosphorylation de la myosine par une autre enzyme

(MLCP = Myosin Light Chain Phos-phatase) ont pour effetd'arrter la contraction :

le muscle se relche.

Lors de la contraction du muscle lisse, lacalmoduline semble donc jouer un rleanalogue celui de la troponine C dans lemuscle squelettique, bien que son activationsoit lgrement diffrente (cf. p. 36 et suiv.). Lemouvement des spermatozodesest galementdclench par le Ca2+ et la calmoduline.

L'exocytose des cellules scrtrices (pancrasou glandes salivaires) est probablement aussiune forme primitive de motricit. Le flux de Ca2+(principalement venant du REG ; cf. p. 4) et laliaison calmoduline-Ca

2+influencent ici le

systme microtubule-microfilament qui rglel'exocytose selon un mcanisme encoreinexpliqu. Dans ce cas galement, le flux deCa

2+est le plus souvent stimul par la liaison

d'hormones sur des rcepteurs extracellulaires :lors de l'action d'une telle hormone (premiermessager) au niveau de la cellule-cible, le Ca2+ joue le rle d'un second messager (secondmessenger des Anglais). L'adnosinemonophosphate cyclique (AMPc. cf. p. 242) aun rle tout fait analogue sur le mode d'actiondes hormones peptidj-ques et descatcholamines. Dans des nombreuses cellules,l'une de ces hormones dclenche le flux dea24- et l'autre la formation de l'AMPc. Les deuxseconds messagers ont une action soit

antagonique soit synergique sur le mtabolismecellulaire. L'action antagonique repose peut-treen partie sur le fait que le complexe Ca

2+-

calmoduline active la phosphodiestrase qui estresponsable de la dgradation de l'AMPc (cf. p.242). Par ailleurs, le complexe Ca

2+-calmoduline

joue un certain rle lors de la croissancecellulaire. Il agit aussi sur beaucoup d'autresenzymes, que ce soit dans le foie, les reins, lecur, le pancras, le cerveau, lesspermatozodes, les plaquettes sanguines. etc.

Dans une grande varit de cellules,l'interaction hormone extracellulaire-rcepteurtransforme les phosphoinositides d'originemembranaire en inositol tri-phosphate et endiacylgiycrol qui deviennent alors desseconds messagers dans la cellule (cf. p. 242 etsuiv.). Cette modification du signal ne conduitpas seulement une phosphorilation desprotines et d'autres vnements intra-cellulaires, mais agit galement commemdiateur (par l'inositol triphosphate) dans les

phnomnes de relaxation lis au Ca2+

.Ici, leCa2+

est le troisime messager qui interfredans l'activit cellulaire, par exemple en se liant la calmoduline.


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Apport et transformation de l'nergie

La vie est impossible sans apport d'nergie. Lesplantes tirent leur nergie du rayonnementsolaire pour transformer le CO2 atmosphrique

en O2 et en composs organiques. Cescomposs peuvent tre directement utiliss(principalement les hydrates de carbone) par lestre humains et les animaux pour complterleurs besoins nergtiques, mais peuvent ga-lement tre stocks sous forme

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Atlas_de_physiologie