COURS de Biologie Fondamentale

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1 COURS de Biologie Fondamentale
IFSI 19 heures Stephanie LUCAS

2 1- Des molécules aux organismes vivants Atomes, ions, molécules
L’eau et les composés inorganiques Les composés organiques (lipides, glucides, acides nucléiques, protéines) Des molécules aux organismes vivants 2- Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose) 4- Communications intercellulaires Types de communications Les molécules des communications Les récepteurs cellulaires Les réponses cellulaires 5- Cellules musculaires et nerveuses Potentiel de repos Potentiel d'action, codage de l'information Transmission synaptique Contraction musculaire

3 Phénotype différent (fonction différente) (mort cellulaire programmée)
Généralités Corps humain : d’une à cellules La formation et le fonctionnement des organismes se fait par : prolifération cellulaire Phénotype différent (fonction différente) Apoptose (mort cellulaire programmée)

4 Corps humain : d’une à 75 1012 cellules
Généralités Corps humain : d’une à cellules La formation et le fonctionnement des organismes se fait par : Embryogenèse (2 mois) Développement foetal Croissance Renouvellement cellulaire Réparation tissulaire Lors de la croissance Renouvellement cellulaire Réponse à des stimulations Réponse aux agents infectieux Lors de la croissance (???) Pour le renouvellement cellulaire Suite à un dysfonctionnement Lors d’une infection

5 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires
Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose)

6 Les cellules souches se définissent par 2 critères :
auto-renouvellement et possibilité de différenciations cellulaires multiples

7 Cellules souches

8 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires
Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose)

9 Cellules souches (placenta…)

10 Une cellule totipotente implantée dans l’utérus  être humain
Cellules souches Une cellule totipotente implantée dans l’utérus  être humain

11  Cellules pluripotentes
Cellules souches  Cellules pluripotentes = 40 cellules

12 Cellules souches

13 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires
Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose)

14 Cellules souches adultes : multipotentes
Cellules Souches hématopoïétiques  cellules sanguines Cellules Souches mésenchymateuses  cellules des mésenchymes (tissus de soutien)

15 Environnement stable pour les cellules souches
Cellules souches adultes : multipotentes Concept de niches Environnement stable pour les cellules souches Les niches sont des ensembles de tissus et de matrices extracellulaires qui peuvent indéfiniment héberger des cellules souches et contrôler leur auto-renouvellement et leur production cellulaire in vivo.

16 Cellules souches

17 cellules souches hématopoïétiques
hématopoïèse

18 les Cellules Souches mésenchymateuses
Principal réservoir : moelle osseuse Mais CSM dans : la circulation sanguine le tissu adipeux les muscles la pulpe dentaire…

19 les Cellules Souches mésenchymateuses
Prolifération Engagement Progression dans la lignée Différenciation et maturation

20 Cellules Souches adultes
Renouvellement cellulaire 20 millions de divisions/seconde - Globules rouges vivent 120 jours 2 millions de créations/seconde - Kératinocytes sans arrêt renouvelés

21 Cellules Souches adultes
Renouvellement cellulaire 20 millions de divisions/seconde Nombre de cellules souches  constant chez un adulte

22 Cellules souches embryonnaires
Cellules souches adultes

23 Cellules souches embryonnaires
Outil de thérapie cellulaire ?  Prolifération indéfinie  Totipotentes Maladies dégénératives Alzheimer, arthrose…  Diabète… 1981 : identification CSE souris 1998 : identification CSE humaines 2000 : CSE  neurones Sources ?  Fécondations in vitro (FIV) Loi de Bioéthique de 2004 Clonage interdit Zygote : être humain Autorisations exceptionnelles

24 Législation relative aux cellules souches embryonnaires
En France: loi n° du 6 août 2004 relative à la bioéthique modifiant celle de 1994: « les recherches peuvent être autorisées sur l'embryon et les cellules embryonnaires lorsqu'elles sont susceptibles de permettre des progrès thérapeutiques majeurs et à condition de ne pouvoir être poursuivies par une méthode alternative d'efficacité comparable, en l'état des connaissances scientifiques ».  Embryons surnuméraires issus de FIV dans un cadre légal et éthique. Ces recherches sont encadrées par l'Agence de la Biomédecine. La recherche sur les embryons humains fait l'objet d'une législation, qui varie suivant les pays. Pays Clonage thérapeutique Création d’embryons à de s f i n d e recherche Utilisation ’ embryons excédentaires provenant de cliniques de FIV Utilisation de lignées de cellules SE existantes R. - U. 3 É. ? Canada 7 Allemagne France

25 Cellules souches adultes
Outil de thérapie cellulaire Pas de problème éthique Réparation des tissus épithéliaux (peau), du cartilage, des os Leucémies : greffes de MO (+ de 50%) Compatibilité : système CMH (HLA) ¼ dans la fratrie 1/1,000,000 sinon

26 Cellules souches embryonnaires
Des cellules souches intermédiaires ? Cellules souches sang cordon ombilical Cellules souches adultes

27 Excepté les cellules souches,
les autres types de cellules sont généralement unipotentes

28 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires
Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose)

29 La plupart des cellules sont capables de se diviser
Division cellulaire La plupart des cellules sont capables de se diviser Sauf : les cellules sans noyau (hématies, kératinocytes) ou avec plusieurs noyaux Quelques cellules très différenciées (neurones…)

30 Division cellulaire Le cycle cellulaire

31 Division cellulaire Le cycle cellulaire 1h 6-12h 3-4h 6-8h

32 Interphase :  du volume cellulaire
Division cellulaire Interphase :  du volume cellulaire réplication des chromosomes : 2x23 à 4x23 doublement de la quantité d’ARN et de protéines 1h 6-12h 3-4h 6-8h

33 Interphase :  du volume cellulaire
Division cellulaire Interphase :  du volume cellulaire réplication des chromosomes : 2x23 à 4x23 doublement de la quantité d’ARN et de protéines 1h 6-12h 3-4h 6-8h

34 Interphase :  du volume cellulaire
Division cellulaire Interphase :  du volume cellulaire réplication des chromosomes : 2x23 à 4x23 doublement de la quantité d’ARN et de protéines duplication du centrosome Microtubules jouent un rôle important dans la mitose centrosome 1h 6-12h 3-4h 6-8h

35 Division cellulaire Mitose : constituée de 4 phases (prophase, métaphase, anaphase, télophase) 1h 6-12h 3-4h 6-8h

36 ADN répliqué : chromosomes attachés par le centromère
Division cellulaire Mitose : constituée de 4 phases (prophase, métaphase, anaphase, télophase) ADN répliqué : chromosomes attachés par le centromère Les 2 centrosomes migrent chacun vers un pôle de la cellule Prophase

37 La membrane nucléaire se désagrège
Division cellulaire Mitose : constituée de 4 phases (prophase, métaphase, anaphase, télophase) La membrane nucléaire se désagrège Les chromosomes s’accrochent aux microtubules Les chromosomes s’alignent horizontalement par leur centromère Prophase Métaphase

38 Les chromosomes se scindent par leur centromère
Division cellulaire Mitose : constituée de 4 phases (prophase, métaphase, anaphase, télophase) Les chromosomes se scindent par leur centromère Les chromosomes se déplacent de chaque côté le long des microtubules Prophase Métaphase Anaphase

39 Les cellules filles commencent à se former
Division cellulaire Mitose : constituée de 4 phases (prophase, métaphase, anaphase, télophase) Les cellules filles commencent à se former Les organites se répartissent également dans chaque cellule fille Les membranes nucléaires se reforment Prophase Métaphase Anaphase Télophase

40 Division cellulaire Mitose : constituée de 4 phases (prophase, métaphase, anaphase, télophase) Prophase Métaphase Anaphase Télophase

41 Le cycle cellulaire Phase G0 : sortie du cycle  cellules au repos
Division cellulaire Le cycle cellulaire 1h 6-12h 3-4h Phase G0 : sortie du cycle 6-8h  cellules au repos  conditions pas bonnes  différenciation Pour les cellules qui ont la possibilité de se diviser ou de se différencier Division et différenciation sont exclusives

42 Division cellulaire et cancer

43 Division cellulaire et cancer
3 catégories de gènes associés aux cancers : - Les oncogènes - les gènes suppresseurs de tumeurs - les gènes de détection/réparation de l’ADN Oncogènes: régulateurs positifs de la division. deviennent hyperactifs dominants car il suffit qu'une des deux copies du gène soit modifiée. Les gènes suppresseurs de tumeurs : régulateurs négatifs de la prolifération cellulaire. Les deux copies de ces gènes sont inactivées dans les cancers. Les gènes de détection des lésions de l’ADN : Défaillants dans les cellules cancéreuses.

44 Division cellulaire ADN régulièrement soumis à des agressions (agents mutagènes, UV, alcool, tabac…). Dans la majeure partie des cas, les mutations sont efficacement réparées. Dans de rares cas, la mutation modifie la structure d'un oncogène, suppresseur de tumeur, ou système de détection/réparation de l’ADN. Dans ce cas, la cellule peut acquérir un avantage sélectif qui lui permettra de donner naissance à un premier clone de cellules anormales (lésion précancéreuse). Dans ces cellules qui ont un avantage sélectif, la probabilité qu'une seconde mutation apparaisse et soit sélectionnée est plus importante. On peut ainsi, par diverses étapes successives, accumuler plusieurs mutations, chacune d'entre elles permettant la sélection d’un clone de plus en plus malin pour finir par une cellule hautement cancéreuse.

45 La mitose génère deux cellules filles identiques à la cellule mère
Division cellulaire La mitose génère deux cellules filles identiques à la cellule mère La majorité des cellules en sont capables Il existe un second type de division : la méiose Seules les cellules sexuelles (gamètes) en sont capables

46 Mitose : 1 cellule à 46 chromosomes  2 cellules à 46 chromosomes
Division cellulaire Mitose : 1 cellule à 46 chromosomes  2 cellules à 46 chromosomes Méiose : 1 cellule à 46 chromosomes  2 cellules à 23 chromosomes spermatozoïde à 23 chromosomes ovocyte à 23 chromosomes œuf à 46 chromosomes

47 Méiose : 2 divisions successives
Division cellulaire Méiose : 2 divisions successives Méiose I prophase I métaphase I anaphase I télophase I Méiose II prophase II métaphase II anaphase II télophase II

48 Méiose réductionnelle
Division cellulaire Méiose réductionnelle 2n chr  1n chr Méiose équationnelle 1n chr  1n chr

49 Le brassage génétique se fait à deux niveau lors de la méiose :
Division cellulaire Le brassage génétique se fait à deux niveau lors de la méiose : 1- lors de la répartition des chromosomes 2- lors des recombinaisons chromosomiques

50 Division cellulaire 1- lors de la répartition des chromosomes À chaque méiose, la répartition des chromosomes se fait au hasard. 5 1 2 3 4 5 OU 5 1 2 3 4 5 OU Etc. 5 5 4 4 3 2 1 3 1 2 3 1 1 5 3 2 2 4 4 5 Une cellule humaine à 46 chr peut former plus de 8 millions de gamètes différents

51 2- lors des recombinaisons chromosomiques
Division cellulaire 2- lors des recombinaisons chromosomiques Lors de la prophase I

52 Mitose : presque toutes les cellules
Division cellulaire Récapitulatif : Mitose : presque toutes les cellules 2 cellules filles identiques à la cellule mère interphase : doublement du matériel cellulaire mitose : prophase, métaphase, anaphase, télophase Méiose : seules les cellules sexuelles spermatozoïdes et ovocytes à 23 chromosomes méiose I réductionnelle et méiose II équationnelle brassage génétique : répartition aléatoire des chromosomes recombinaisons interchromosomiques

53 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires
Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose)

54 La plupart des cellules chez l’adulte sont hautement spécialisées
Différenciation cellulaire  fusion de cellules La plupart des cellules chez l’adulte sont hautement spécialisées

55 La plupart des cellules chez l’adulte sont hautement spécialisées
Différenciation cellulaire Cellule souche hématopoïétique La plupart des cellules chez l’adulte sont hautement spécialisées Différenciation d’une hématie Spécialisation : transport d’oxygène

56 La plupart des cellules chez l’adulte sont hautement spécialisées
Différenciation cellulaire Cellule souche mésenchymateuse  fusion de cellules La plupart des cellules chez l’adulte sont hautement spécialisées Différenciation d’un myocyte Spécialisation: contraction

57 Différenciation d’un adipocyte
Différenciation cellulaire Cellule souche mésenchymateuse Mais le plus souvent, les cellules conservent un noyau unique ! Capte du glucose et des AG Différenciation d’un adipocyte Fabrique des triglycérides noyau Adipocyte Gouttelette lipidique

58 Différenciation cellulaire :
acquisition d’un nouveau phénotype acquisition d’au moins une nouvelle fonction synthèse d’au moins une nouvelle protéine Hémoglobine : liaison à l’O2 actine & myosine: contraction noyau Gouttelette lipidique GLUT4 : transport de glucose

59 Les cellules ne sont généralement pas capables de se dédifférencier.
Différenciation cellulaire Les cellules ne sont généralement pas capables de se dédifférencier. Les cellules différenciées ne se divisent pas.

60 Les cellules ne sont généralement pas capables de se dédifférencier
Différenciation cellulaire Les cellules ne sont généralement pas capables de se dédifférencier Les cellules différenciées ne se divisent pas.

61 La plupart des cellules chez l’adulte sont hautement spécialisées
Différenciation cellulaire Récapitulatif : La plupart des cellules chez l’adulte sont hautement spécialisées Acquisition de nouvelles fonctions  synthèse de nouvelles protéines  transcription de nouveaux gènes Différenciation et division sont très souvent exclusives Les cellules ne se dédifférencient pas en conditions normales

62 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires
Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose) .

63 nécrose apoptose Mort cellulaire incontrôlée Mort cellulaire contrôlée
traumatisme Brulure Déficit métabolique … Apoptose : grec « chute programmée des feuilles l’automne »

64 nécrose apoptose Apoptose Normal Gonflement réversible
Gonflement irréversible Eclatement apoptose Normal Condensation Fragmentation Corps apoptotiques

65 Nécrose tissulaire Gangrène Apoptose Infection bactérienne Ischémie
Froid… Vaisseaux sanguins atteints = Macrophages issus des monocytes du sang

66 Corps humain : d’une à 75 1012 cellules
Apoptose Corps humain : d’une à cellules La formation et le fonctionnement des organismes se fait par : Croissance Embryogenèse Développement foetal Réparation Lors de la croissance Réponse aux hormones Réponse aux agents infectieux Lors de la croissance (???) Suite à un dysfonctionnement Lors d’une infection

67 Les doigts par exemple s’individualisent par apoptose
Mort cellulaire Les doigts par exemple s’individualisent par apoptose Mais aussi formation des orifices: tube digestif, système respiratoire… Enfant moyen entre 8 et 14 ans : environ 20 à 30 milliards de cellules/jour Equivalent à la masse de l’individu/an

68 Corps humain : d’une à 75 1012 cellules
Apoptose Corps humain : d’une à cellules La formation et le fonctionnement des organismes se fait par : Croissance Embryogenèse Développement foetal Réparation Lors de la croissance Réponse aux hormones Réponse aux agents infectieux Lors de la croissance (???) Suite à un dysfonctionnement Lors d’une infection

69 Essentiellement lors de dysfonctionnements du cycle cellulaire
Apoptose Essentiellement lors de dysfonctionnements du cycle cellulaire Il y a plusieurs points de contrôle dans le cycle cellulaire 1h 6-12h 3-4h 6-8h

70 Erreurs de fabrication  mort cellulaire programmée (apoptose)
Dysfonctionnements des mécanismes de choix ou de l’apoptose  cancers

71 Corps humain : d’une à 75 1012 cellules
Apoptose Corps humain : d’une à cellules La formation et le fonctionnement des organismes se fait par : Croissance Embryogenèse Développement foetal Réparation Lors de la croissance Réponse aux hormones Réponse aux agents infectieux Lors de la croissance (???) Suite à un dysfonctionnement Lors d’une infection

72 Apoptose Lymphocytes : détectent les cellules infectées et leur demandent de se tuer

73 Les principaux acteurs de l’apoptose sont :
Les mitochondries qui libèrent les protéines de la respiration Activation des protéines de l’apoptose : les caspases (protéases) fin de la respiration Dégradation des protéines cellulaires Activation d’enzymes de dégradation DNases protéases …

74 Changements morphologiques
Apoptose Changements morphologiques Formation de corps apoptotiques Plus facilement phagocytables

75 Exposition de la phosphatidylsérine
Apoptose Exposition de la phosphatidylsérine PS vers l’intérieur de la cellule PS vers l’extérieur de la cellule

76 Exposition de la phosphatidylsérine
Apoptose Exposition de la phosphatidylsérine PS vers l’intérieur de la cellule PS vers l’extérieur de la cellule

77 Apoptose : mort cellulaire programmée = « suicide » cellulaire
Récapitulatif : Apoptose : mort cellulaire programmée = « suicide » cellulaire Nécrose : mort cellulaire incontrôlée Apoptose : croissance, dysfonctionnements, infection Nécrose : traumatismes Apoptose : mitochondries, caspases Nécrose : pas d’implication des mitochondries ni des caspases Apoptose : corps apoptotiques, phosphatidylsérines, élimination macrophages Nécrose : pas d’élimination  inflammation