Un des thèmes primordiaux de la biologie est que la structure détermine la fonction ; la façon dont quelque chose est arrangé lui permet d’effectuer un travail spécifique. Nous le constatons à tous les niveaux de la hiérarchie de l’organisation biologique, des atomes à la biosphère. Voyons quelques exemples où la structure détermine la fonction.

• Niveau moléculaire – protéines. La forme (structure) d’une protéine détermine sa fonction. Par exemple, il existe deux formes de base pour les protéines : fibreuse et globulaire (ronde). Les protéines fibreuses, comme le collagène (figure 18.1), ont la forme d’une corde et donnent de la force à notre peau pour l’empêcher de se déchirer. Les protéines fibreuses sont des protéines structurelles car elles contribuent à donner une forme à la peau et à la soutenir. Les protéines globulaires, comme l’hémoglobine (figure 18.2), servent à transporter l’oxygène dans le sang. D’autres exemples de protéines globulaires ayant différentes fonctions sont les enzymes (catalysent ou accélèrent les réactions chimiques dans le corps) et les protéines de la membrane plasmique (peuvent transporter des substances à travers la membrane cellulaire, jouer un rôle dans la communication cellulaire, agir comme des enzymes ou aider à identifier la cellule au reste du corps).

• Niveau cellulaire – cellules musculaires squelettiques. La structure des cellules musculaires squelettiques leur permet d’avoir la fonction de contraction, qui nous permet de nous déplacer. Par exemple, les cellules musculaires squelettiques qui constituent votre muscle biceps brachii sont attachées aux deux extrémités de l’os humérus par des tendons et sont remplies de protéines contractiles (actine et myosine) (Figure 18.3). Lorsque les protéines contractiles se contractent, elles raccourcissent la cellule musculaire, qui tire alors sur les extrémités de l’humérus et vous permet de fléchir votre avant-bras (figure 18.4).

• Niveau individuel (anatomie et physiologie). Dans l’étude des humains, l’anatomie est l’étude de la structure du corps (ex : où est situé le muscle quadriceps) et la physiologie est l’étude du fonctionnement du corps (ex : comment le muscle quadriceps se contracte). Examinons l’anatomie du cœur, qui détermine le fonctionnement du cœur. Le cœur est composé de quatre chambres creuses (oreillettes et ventricules) et est constitué de cellules musculaires cardiaques (figure 18.5). Cette structure permet au cœur d’avoir pour fonction de pomper le sang dans le corps. Si la structure du cœur change (ex- certaines des cavités cardiaques s’étirent ou se dilatent), alors la fonction du cœur diminue car le cœur ne peut plus pomper autant de sang, ce qui finira par provoquer une insuffisance cardiaque congestive.

• Niveau de l’écosystème. Un écosystème est constitué d’une communauté de toutes les différentes espèces vivant dans une zone géographique particulière ainsi que de tous les composants non vivants (ex- eau, sable, lumière, oxygène). Si nous examinons la structure d’un écosystème de récif corallien, nous constatons que les coraux, qui sont les espèces fondatrices, fournissent une protection et un habitat aux autres espèces (figure 18.6). Le récif corallien protège les autres espèces, comme les poissons, des vagues et des courants océaniques et leur donne un endroit où se cacher des prédateurs.

10.2 Types de tissus humains

Le terme tissu est utilisé pour décrire un groupe de cellules similaires que l’on trouve ensemble dans le corps et qui agissent ensemble pour remplir des fonctions spécifiques. Du point de vue de l’évolution, les tissus apparaissent dans les organismes plus complexes.

Bien qu’il existe de nombreux types de cellules dans le corps humain, elles sont organisées en quatre catégories de tissus : épithélial, conjonctif, musculaire et nerveux. Chacune de ces catégories est caractérisée par des fonctions spécifiques qui contribuent à la santé globale et au maintien de l’organisme. Une perturbation de la structure d’un tissu est un signe de blessure ou de maladie. De tels changements peuvent être détectés par l’histologie, l’étude microscopique de l’apparence, de l’organisation et de la fonction des tissus.

Les quatre types de tissus

Le tissu épithélial, également appelé épithélium, désigne les feuillets de cellules qui recouvrent les surfaces extérieures du corps, tapissent les cavités et les passages internes, et forment certaines glandes. La peau, les muqueuses, les glandes endocrines et les glandes sudoripares sont des exemples de tissu épithélial. Le tissu conjonctif, comme son nom l’indique, relie les cellules et les organes du corps et assure la protection, le soutien et l’intégration de toutes les parties du corps. Le tissu conjonctif est diversifié et comprend les os, les tendons, les ligaments, le cartilage, la graisse et le sang. Le tissu musculaire est excitable, réagit aux stimulations et se contracte pour produire un mouvement. Il existe trois grands types de muscles : les muscles squelettiques (volontaires), les muscles lisses et les muscles cardiaques du cœur. Le tissu nerveux est également excitable, permettant la propagation de signaux électrochimiques sous forme d’impulsions nerveuses qui communiquent entre les différentes régions du corps (figure 18.7).

Le niveau d’organisation suivant est l’organe, où deux types de tissus ou plus se réunissent pour remplir des fonctions spécifiques. Tout comme la connaissance de la structure et de la fonction des cellules vous aide dans votre étude des tissus, la connaissance des tissus vous aidera à comprendre le fonctionnement des organes.

Figure 10.7 Quatre types de tissus : Corps Les quatre types de tissus sont exemplifiés dans le tissu nerveux, le tissu épithélial pavimenteux stratifié, le tissu musculaire cardiaque et le tissu conjonctif de l’intestin grêle. Dans le sens horaire, à partir du tissu nerveux, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Micrographies fournies par les régents de l’école de médecine de l’université du Michigan © 2012).

10.3 Systèmes d’organes humains

Un système d’organes est un groupe d’organes qui travaillent ensemble pour réaliser les principales fonctions ou répondre aux besoins physiologiques du corps. La figure 18.8 ci-dessous montre les onze systèmes d’organes distincts du corps humain. L’affectation des organes aux systèmes d’organes peut être imprécise car les organes qui « appartiennent » à un système peuvent également avoir des fonctions faisant partie intégrante d’un autre système. En fait, la plupart des organes contribuent à plus d’un système. Dans ce cours, nous aborderons certains de ces systèmes d’organes, mais pas tous.

Le tableau 10.1 ci-dessous énumère les 11 systèmes d’organes, leurs composants et leurs fonctions.

10.4 L’homéostasie

Avant de passer à l’examen des systèmes organiques individuels, il est important de revoir le concept d’homéostasie. L’homéostasie fait référence au maintien d’un état relativement stable à l’intérieur du corps. Les organes et les systèmes organiques humains s’adaptent constamment aux changements internes et externes afin de maintenir cet état stable. Des exemples de conditions internes maintenues en homéostasie sont le taux de glucose dans le sang, la température corporelle et le taux de calcium dans le sang. Ces conditions restent stables grâce au contrôle par rétroaction négative. Si le taux de glucose ou de calcium sanguin augmente, cela envoie un signal aux organes responsables de l’abaissement du taux de glucose ou de calcium sanguin. Les signaux qui ramènent la variable dans la plage normale (également appelée point de consigne) sont des exemples de rétroaction négative. Lorsque les mécanismes homéostatiques échouent, la personne tombe malade et peut mourir.

Contrôle de l’homéostasie

Lorsqu’un changement se produit dans l’environnement d’une personne, un ajustement doit être effectué. Un récepteur (souvent un neurone) détecte le changement dans l’environnement, puis envoie un signal au centre de contrôle (dans la plupart des cas, le cerveau) qui génère à son tour une réponse signalée à un effecteur, qui ramène la variable régulée dans la plage normale. L’effecteur est un muscle (qui se contracte ou se détend) ou une glande qui sécrète. L’homéostasie est maintenue par des boucles de rétroaction négative. Les boucles de rétroaction positives poussent en fait l’organisme encore plus loin de l’homéostasie, mais elles peuvent être nécessaires à la vie. L’homéostasie est contrôlée par les systèmes nerveux et endocrinien.

Mécanismes de rétroaction négative

Tout processus homéostatique qui change la direction du stimulus pour le ramener vers la plage normale est une boucle de rétroaction négative. Il peut soit augmenter soit diminuer le stimulus, mais le stimulus ne peut pas continuer comme avant que le récepteur ne le détecte. En d’autres termes, si un niveau est trop élevé, le corps fait quelque chose pour le faire baisser et, inversement, si un niveau est trop bas, le corps fait quelque chose pour le faire monter. D’où le terme de rétroaction négative. Le maintien du taux de glucose dans le sang en est un exemple. Après qu’une personne a mangé, le taux de glucose sanguin augmente. Des cellules spécialisées du pancréas le détectent et l’hormone insuline est libérée par le système endocrinien. L’insuline fait baisser la glycémie, comme on peut s’y attendre dans un système de rétroaction négative, comme l’illustre la figure 18.9. Cependant, si une personne n’a pas mangé et que sa glycémie diminue, cela est détecté par un autre groupe de cellules du pancréas et l’hormone glucagon est libérée, entraînant une augmentation de la glycémie. Il s’agit toujours d’une boucle de rétroaction négative, mais pas dans le sens attendu par l’utilisation du terme « négatif ». Les boucles de rétroaction négative sont le mécanisme prédominant utilisé pour maintenir l’homéostasie.

Figure 10.9 La glycémie est contrôlée par une boucle de rétroaction négative. (crédit : modification du travail de Jon Sullivan)

Thermorégulation

Un autre exemple de l’utilisation de la rétroaction négative pour maintenir l’homéostasie est la thermorégulation. Les animaux, comme les humains, qui maintiennent une température corporelle constante face à des températures environnementales différentes, sont appelés endothermes. Nous sommes capables de maintenir cette température en générant de la chaleur interne (un déchet des réactions chimiques cellulaires du métabolisme) qui permet aux processus cellulaires de fonctionner de manière optimale même lorsque l’environnement est froid.

Les thermorécepteurs (constitués de neurones) des organes internes, de la colonne vertébrale et du cerveau envoient des informations sur la température corporelle au centre de contrôle situé dans l’hypothalamus du cerveau. L’hypothalamus agit comme le thermostat du corps et peut élever ou abaisser la température du corps pour la maintenir dans la plage normale (environ 98,6 ºF ou 37 ºC). Si la température corporelle est supérieure à la normale, l’hypothalamus envoie des signaux aux glandes sudoripares pour provoquer la transpiration et aux muscles lisses entourant les vaisseaux sanguins de la peau pour provoquer une vasodilatation. La vasodilatation, c’est-à-dire l’ouverture des artères vers la peau par la relaxation de leurs muscles lisses, amène plus de sang et de chaleur à la surface du corps, ce qui facilite la perte de chaleur et refroidit le corps. À l’inverse, si la température corporelle est inférieure à la normale, l’hypothalamus demande aux muscles squelettiques de se contracter pour provoquer des frissons, ce qui génère de la chaleur corporelle. Des signaux sont également envoyés au muscle lisse autour des vaisseaux sanguins de la peau pour provoquer une vasoconstriction. La vasoconstriction, le rétrécissement des vaisseaux sanguins vers la peau par la contraction de leurs muscles lisses, réduit le flux sanguin dans les vaisseaux sanguins périphériques, forçant le sang vers le noyau et les organes vitaux, conservant ainsi la chaleur.

La plage normale (point de consigne) de la température corporelle peut être modifiée pendant une infection. Certaines cellules de votre système immunitaire libèrent des substances chimiques appelées pyrogènes, qui amènent l’hypothalamus à réinitialiser la plage normale de température corporelle à une valeur plus élevée, ce qui entraîne une fièvre. L’augmentation de la chaleur corporelle rend le corps moins optimal pour la croissance bactérienne et augmente les activités des cellules du système immunitaire afin qu’elles soient mieux à même de combattre l’infection.

Rétroaction positive

Une boucle de rétroaction positive pousse la variable régulée plus loin de la plage normale. La rétroaction positive n’est pas souvent utilisée dans le corps, mais elle est utilisée dans la coagulation du sang, les éternuements et la génération de signaux nerveux. Un autre exemple de rétroaction positive est celui des contractions utérines pendant l’accouchement, comme l’illustre la figure 18.11. L’hormone ocytocine, produite par le système endocrinien, stimule la contraction de l’utérus. Celle-ci pousse la tête du bébé vers le col de l’utérus, l’étirant. L’étirement du col de l’utérus envoie un signal à l’hypophyse, dans le cerveau, pour qu’elle libère davantage d’ocytocine. L’augmentation de l’ocytocine provoque des contractions utérines plus fortes, qui poussent le bébé plus loin dans le col de l’utérus, l’étirant davantage. La libération accrue d’ocytocine, les contractions utérines plus fortes et l’étirement supplémentaire du col de l’utérus se poursuivent jusqu’à ce que le bébé soit mis au monde et que la boucle de rétroaction positive soit désactivée parce que le col de l’utérus n’est plus étiré autant.

Figure 10.11 La naissance d’un nourrisson humain est le résultat d’une rétroaction positive. (crédit : Openstax Biologie 2e)

Adapté de Openstax Biologie humaine et Biologie 2e

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