Biologie pour les majors II

Décrire la structure et la fonction du sang dans le corps

Le sang est important pour la régulation du pH, de la température et de la pression osmotique du corps, la circulation des nutriments et l’élimination des déchets, la distribution des hormones des glandes endocrines et l’élimination de l’excès de chaleur ; il contient également des composants pour la coagulation du sang. Le sang est constitué de plusieurs composants, dont les globules rouges, les globules blancs, les plaquettes et le plasma, qui contient les facteurs de coagulation et le sérum.

Le rôle du sang dans le corps

Sang, comme le sang humain illustré dans la figure 1, est important pour la régulation des systèmes de l’organisme et l’homéostasie. Le sang aide à maintenir l’homéostasie en stabilisant le pH, la température, la pression osmotique et en éliminant l’excès de chaleur. Le sang favorise la croissance en distribuant les nutriments et les hormones, et en éliminant les déchets. Les globules rouges contiennent de l’hémoglobine, qui fixe l’oxygène. Ces cellules délivrent l’oxygène aux cellules et éliminent le dioxyde de carbone.

Le sang joue un rôle protecteur en transportant les facteurs de coagulation et les plaquettes pour empêcher la perte de sang après une blessure. Le sang transporte également les globules blancs, agents de lutte contre les maladies, vers les sites d’infection. Ces cellules – dont les neutrophiles, les monocytes, les lymphocytes, les éosinophiles et les basophiles – participent à la réponse immunitaire.

Figure 1. Les cellules et les composants cellulaires du sang humain sont représentés.

Les globules rouges

Les globules rouges, ou érythrocytes (erythro- = « rouge » ; -cyte = « cellule »), sont des cellules spécialisées qui circulent dans l’organisme en fournissant de l’oxygène aux cellules ; ils sont formés à partir de cellules souches dans la moelle osseuse. Chez les mammifères, les globules rouges sont de petites cellules biconcaves qui, à maturité, ne contiennent ni noyau ni mitochondries et ne mesurent que 7 à 8 µm. Chez les oiseaux et les reptiles non aviaires, un noyau est encore maintenu dans les globules rouges.

La coloration rouge du sang provient de l’hémoglobine, une protéine contenant du fer, illustrée dans la figure 2a. La tâche principale de cette protéine est de transporter l’oxygène, mais elle transporte également le dioxyde de carbone. L’hémoglobine est emballée dans les globules rouges à raison d’environ 250 millions de molécules d’hémoglobine par cellule. Chaque molécule d’hémoglobine se lie à quatre molécules d’oxygène, de sorte que chaque globule rouge transporte un milliard de molécules d’oxygène. Il y a environ 25 trillions de globules rouges dans les cinq litres de sang du corps humain, qui pourraient transporter jusqu’à 25 sextillions (25 × 1021) de molécules d’oxygène dans le corps à tout moment. Chez les mammifères, l’absence d’organites dans les érythrocytes laisse plus de place aux molécules d’hémoglobine, et l’absence de mitochondries empêche également l’utilisation de l’oxygène pour la respiration métabolique. Seuls les mammifères ont des globules rouges anucléés, et certains mammifères (les chameaux, par exemple) ont même des globules rouges nucléés. L’avantage des globules rouges nucléés est que ces cellules peuvent subir une mitose. Les globules rouges anucléés ont un métabolisme anaérobie (sans oxygène), faisant appel à une voie métabolique primitive pour produire de l’ATP et augmenter l’efficacité du transport de l’oxygène.

Tous les organismes n’utilisent pas l’hémoglobine comme méthode de transport de l’oxygène. Les invertébrés qui utilisent l’hémolymphe plutôt que le sang utilisent différents pigments pour se lier à l’oxygène. Ces pigments utilisent du cuivre ou du fer pour se lier à l’oxygène. Les invertébrés possèdent une variété d’autres pigments respiratoires. L’hémocyanine, une protéine bleu-vert contenant du cuivre, illustrée à la figure 2b, se trouve chez les mollusques, les crustacés et certains arthropodes. La chlorocruorine, un pigment de couleur verte contenant du fer, est présente dans quatre familles de vers tubicoles polychètes. L’hémérythrine, une protéine rouge contenant du fer, est présente chez certains vers polychètes et annélides et est illustrée à la figure 2c. Malgré son nom, l’hémérythrine ne contient pas de groupe hème et sa capacité à transporter l’oxygène est faible par rapport à l’hémoglobine.

Figure 2. Chez la plupart des vertébrés, (a) l’hémoglobine fournit de l’oxygène au corps et élimine une partie du dioxyde de carbone. L’hémoglobine est composée de quatre sous-unités protéiques, deux chaînes alpha et deux chaînes bêta, et d’un groupe hème auquel est associé du fer. Le fer s’associe de manière réversible à l’oxygène et, ce faisant, est oxydé de Fe2+ en Fe3+. Chez la plupart des mollusques et certains arthropodes, (b) l’hémocyanine fournit de l’oxygène. Contrairement à l’hémoglobine, elle n’est pas transportée dans les cellules sanguines, mais flotte librement dans l’hémolymphe. Le cuivre, au lieu du fer, fixe l’oxygène, ce qui donne à l’hémolymphe une couleur bleu-vert. Chez les annélides, comme le ver de terre, et certains autres invertébrés, (c) l’hémérythrine transporte l’oxygène. Comme l’hémoglobine, l’hémérythrine est transportée dans les cellules sanguines et a du fer associé, mais malgré son nom, l’hémérythrine ne contient pas d’hème.

La petite taille et la grande surface des globules rouges permettent une diffusion rapide de l’oxygène et du dioxyde de carbone à travers la membrane plasmique. Dans les poumons, le dioxyde de carbone est libéré et l’oxygène est absorbé par le sang. Dans les tissus, l’oxygène est libéré par le sang et le dioxyde de carbone est lié pour être ramené dans les poumons. Des études ont montré que l’hémoglobine lie également le protoxyde d’azote (NO). Le NO est un vasodilatateur qui détend les vaisseaux sanguins et les capillaires et peut faciliter les échanges gazeux et le passage des globules rouges dans les vaisseaux étroits. La nitroglycérine, un médicament cardiaque pour l’angine et les crises cardiaques, est convertie en NO pour aider à détendre les vaisseaux sanguins et augmenter le flux d’oxygène dans le corps.

Une caractéristique des globules rouges est leur revêtement de glycolipides et de glycoprotéines ; ce sont des lipides et des protéines auxquels sont attachées des molécules de glucides. Chez l’homme, les glycoprotéines et les glycolipides de surface des globules rouges varient d’un individu à l’autre, produisant les différents groupes sanguins, tels que A, B et O. Les globules rouges ont une durée de vie moyenne de 120 jours, moment auquel ils sont décomposés et recyclés dans le foie et la rate par des macrophages phagocytaires, un type de globules blancs.

Les globules blancs

Les globules blancs, également appelés leucocytes (leuko = blanc), représentent environ un pour cent en volume des cellules du sang. Le rôle des globules blancs est très différent de celui des globules rouges : ils sont principalement impliqués dans la réponse immunitaire pour identifier et cibler les agents pathogènes, tels que les bactéries envahissantes, les virus et autres organismes étrangers. Les globules blancs se forment continuellement ; certains ne vivent que quelques heures ou quelques jours, mais d’autres vivent des années.

La morphologie des globules blancs diffère considérablement de celle des globules rouges. Ils possèdent des noyaux et ne contiennent pas d’hémoglobine. Les différents types de globules blancs sont identifiés par leur aspect microscopique après coloration histologique, et chacun a une fonction spécialisée différente. Les deux principaux groupes, tous deux illustrés dans la figure 3, sont les granulocytes, qui comprennent les neutrophiles, les éosinophiles et les basophiles, et les agranulocytes, qui comprennent les monocytes et les lymphocytes.

Figure 3. (a) Les granulocytes – y compris les neutrophiles, les éosinophiles et les basophiles – sont caractérisés par un noyau lobé et des inclusions granulaires dans le cytoplasme. Les granulocytes sont généralement les premiers à réagir en cas de blessure ou d’infection. (b) Les agranulocytes comprennent les lymphocytes et les monocytes. Les lymphocytes, y compris les cellules B et T, sont responsables de la réponse immunitaire adaptative. Les monocytes se différencient en macrophages et en cellules dendritiques, qui répondent à leur tour aux infections ou aux blessures.

Les granulocytes contiennent des granules dans leur cytoplasme ; les agranulocytes sont ainsi nommés en raison de l’absence de granules dans leur cytoplasme. Certains leucocytes deviennent des macrophages qui restent au même endroit ou se déplacent dans la circulation sanguine et se rassemblent sur les sites d’infection ou d’inflammation où ils sont attirés par des signaux chimiques provenant de particules étrangères et de cellules endommagées. Les lymphocytes sont les principales cellules du système immunitaire et comprennent les cellules B, les cellules T et les cellules tueuses naturelles. Les cellules B détruisent les bactéries et inactivent leurs toxines. Ils produisent également des anticorps. Les lymphocytes T attaquent les virus, les champignons, certaines bactéries, les cellules transplantées et les cellules cancéreuses. Les lymphocytes T attaquent les virus en libérant des toxines qui les tuent. Les cellules tueuses naturelles s’attaquent à divers microbes infectieux et à certaines cellules tumorales.

L’une des raisons pour lesquelles le VIH pose d’importants problèmes de gestion est que le virus cible directement les lymphocytes T en s’introduisant par un récepteur. Une fois à l’intérieur de la cellule, le VIH se multiplie ensuite en utilisant la machinerie génétique propre à la cellule T. Une fois que le virus VIH s’est répliqué, il est transmis directement de la cellule T infectée aux macrophages. La présence du VIH peut rester méconnue pendant une longue période avant que les symptômes complets de la maladie ne se développent

Composants du sang

L’hémoglobine est responsable de la distribution de l’oxygène, et dans une moindre mesure du dioxyde de carbone, dans tout le système circulatoire des humains, des vertébrés et de nombreux invertébrés. Mais le sang ne se résume pas aux protéines. Le sang est en fait un terme utilisé pour décrire le liquide qui circule dans les vaisseaux et comprend le plasma (la partie liquide, qui contient de l’eau, des protéines, des sels, des lipides et du glucose) ainsi que les cellules (globules rouges et blancs) et des fragments de cellules appelés plaquettes. Le plasma sanguin est en fait le composant dominant du sang et contient l’eau, les protéines, les électrolytes, les lipides et le glucose. Les cellules sont responsables du transport des gaz (globules rouges) et de la réponse immunitaire (globules blancs). Les plaquettes sont responsables de la coagulation du sang. Le liquide interstitiel qui entoure les cellules est séparé du sang, mais dans l’hémolymphe, ils sont combinés. Chez l’homme, les composants cellulaires constituent environ 45 % du sang et le plasma liquide 55 %. Le sang représente 20 pour cent du liquide extracellulaire d’une personne et huit pour cent de son poids.

Plaquettes et facteurs de coagulation

Le sang doit coaguler pour cicatriser les plaies et empêcher une perte excessive de sang. De petits fragments cellulaires appelés plaquettes (thrombocytes) sont attirés vers le site de la plaie où ils adhèrent en étendant de nombreuses projections et en libérant leur contenu. Ce contenu active d’autres plaquettes et interagit également avec d’autres facteurs de coagulation, qui transforment le fibrinogène, une protéine hydrosoluble présente dans le sérum sanguin, en fibrine (une protéine non hydrosoluble), provoquant ainsi la coagulation du sang. De nombreux facteurs de coagulation ont besoin de vitamine K pour fonctionner, et une carence en vitamine K peut entraîner des problèmes de coagulation du sang. De nombreuses plaquettes convergent et se collent les unes aux autres au site de la plaie, formant un bouchon plaquettaire (également appelé caillot de fibrine), comme l’illustre la figure 4b. Le bouchon ou caillot dure un certain nombre de jours et arrête la perte de sang. Les plaquettes sont formées à partir de la désintégration de cellules plus grandes appelées mégacaryocytes, comme celle illustrée à la figure 4a. Pour chaque mégacaryocyte, 2000 à 3000 plaquettes sont formées, 150 000 à 400 000 plaquettes étant présentes dans chaque millimètre cube de sang. Chaque plaquette est en forme de disque et a un diamètre de 2 à 4 μm. Elles contiennent de nombreuses petites vésicules mais ne contiennent pas de noyau.

Figure 4. (a) Les plaquettes sont formées à partir de grandes cellules appelées mégacaryocytes. Le mégacaryocyte se fragmente en milliers de fragments qui deviennent des plaquettes. (b) Les plaquettes sont nécessaires à la coagulation du sang. Les plaquettes s’accumulent au site d’une plaie en conjonction avec d’autres facteurs de coagulation, comme le fibrinogène, pour former un caillot de fibrine qui empêche la perte de sang et permet à la plaie de guérir.

Plasma et sérum

Le composant liquide du sang est appelé plasma, et il est séparé en faisant tourner ou en centrifugeant le sang à des rotations élevées (3000 tours/minute ou plus). Les cellules sanguines et les plaquettes sont séparées par les forces centrifuges au fond d’un tube d’échantillon. La couche liquide supérieure, le plasma, est composée à 90 % d’eau et de diverses substances nécessaires au maintien du pH de l’organisme, de la charge osmotique et de la protection de l’organisme. Le plasma contient également les facteurs de coagulation et les anticorps.

Le composant plasmatique du sang sans les facteurs de coagulation est appelé le sérum. Le sérum est similaire au liquide interstitiel dans lequel la composition correcte des ions clés agissant comme des électrolytes est essentielle au fonctionnement normal des muscles et des nerfs. Parmi les autres composants du sérum figurent des protéines qui contribuent à maintenir le pH et l’équilibre osmotique tout en donnant de la viscosité au sang. Le sérum contient également des anticorps, des protéines spécialisées qui sont importantes pour la défense contre les virus et les bactéries. Les lipides, dont le cholestérol, sont également transportés dans le sérum, ainsi que diverses autres substances, notamment des nutriments, des hormones, des déchets métaboliques, plus des substances externes, telles que, des médicaments, des virus et des bactéries.

L’albumine sérique humaine est la protéine la plus abondante dans le plasma sanguin humain et est synthétisée dans le foie. L’albumine, qui constitue environ la moitié des protéines du sérum sanguin, transporte les hormones et les acides gras, tamponne le pH et maintient les pressions osmotiques. L’immunoglobine est un anticorps protéique produit dans la muqueuse et joue un rôle important dans l’immunité médiée par les anticorps.

Types sanguins liés aux protéines à la surface des globules rouges

Les globules rouges sont recouverts d’antigènes composés de glycolipides et de glycoprotéines. La composition de ces molécules est déterminée par la génétique, qui a évolué au fil du temps. Chez l’homme, les différents antigènes de surface sont regroupés en 24 groupes sanguins différents, avec plus de 100 antigènes différents sur chaque globule rouge. Les deux groupes sanguins les plus connus sont les systèmes ABO, illustré à la figure 5, et Rh. Les antigènes de surface du groupe sanguin ABO sont des glycolipides, appelés antigène A et antigène B. Les personnes du groupe sanguin A ont l’antigène A, celles du groupe sanguin B l’antigène B, celles du groupe sanguin AB les deux antigènes et celles du groupe sanguin O aucun antigène. Des anticorps appelés agglutinogènes se trouvent dans le plasma sanguin et réagissent avec les antigènes A ou B, si les deux sont mélangés. Lorsque le sang de type A et de type B est mélangé, il se produit une agglutination (agglutination) du sang à cause des anticorps présents dans le plasma qui se lient à l’antigène opposé ; cela provoque des caillots qui coagulent dans le rein, entraînant une insuffisance rénale. Le sang de type O n’a ni antigène A ni antigène B, et peut donc être donné à tous les groupes sanguins. Le sang de type O négatif est le donneur universel. Le sang de type AB positif est l’accepteur universel car il possède à la fois les antigènes A et B. Les groupes sanguins ABO ont été découverts en 1900 et 1901 par Karl Landsteiner à l’université de Vienne.

Le groupe sanguin Rh a été découvert pour la première fois chez les singes rhésus. La plupart des personnes ont l’antigène Rh (Rh+) et n’ont pas d’anticorps anti-Rh dans leur sang. Les quelques personnes qui n’ont pas l’antigène Rh et qui sont Rh- peuvent développer des anticorps anti-Rh si elles sont exposées à du sang Rh+. Cela peut se produire après une transfusion sanguine ou après qu’une femme Rh- a eu un bébé Rh+. La première exposition ne provoque généralement pas de réaction ; cependant, lors de la deuxième exposition, suffisamment d’anticorps se sont accumulés dans le sang pour produire une réaction qui provoque une agglutination et une dégradation des globules rouges. Une injection peut empêcher cette réaction.

Figure 5. Les globules rouges humains peuvent avoir des glycoprotéines de type A ou B à leur surface, les deux glycoprotéines combinées (AB), ou aucune des deux (O). Les glycoprotéines servent d’antigènes et peuvent déclencher une réponse immunitaire chez une personne qui reçoit une transfusion contenant des antigènes non familiers. Le sang de type O, qui ne possède pas d’antigènes A ou B, ne provoque pas de réaction immunitaire lorsqu’il est injecté à une personne de n’importe quel groupe sanguin. Le groupe O est donc considéré comme le donneur universel. Les personnes de groupe sanguin AB peuvent accepter du sang de n’importe quel groupe sanguin, et le groupe AB est considéré comme l’accepteur universel.

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