Biologie

L’ADN est un polymère (une grande molécule qui contient des unités répétitives) composé d’un  2′ désoxyribose (un sucre à cinq carbones), d’un acide phosphorique et de 4 bases azotées  notés A, T, G et C. Les structures chimiques des bases sont indiquées ci-dessous. Notez que deux des bases ont une structure à double anneau appelées purines. Les deux autres bases ont une structure à anneau unique, celles-ci sont appelées pyrimidines.

Les bases purines sont l’adénine (A) et guanine (G).

Les bases pyrimidiques sont la thymine (T) et la cytosine (c).

Dans l’ADN chaque base est liée à une molécule du sucre (désoxyribose) formant un composé appelé nucléoside.

Quand un groupe phosphate est également attaché à la molécule du sucre le nucléoside devient un nucléotide.

Ainsi un nucléotide est un nucléoside plus un phosphate. Dans la numérotation conventionnelle des atomes de carbone dans le sucre, l’atome de carbone auquel est attaché la base est le carbone 1′ (les atomes dans le sucre ont des numéros primes pour les distinguer des atomes dans les bases).

Dans les acides nucléiques, comme l’ADN et l’ARN, les nucléotides sont joints pour former une chaîne polynucléotidique dans laquelle le phosphate attaché à l’extrémité 5′ d’un carbone d’un sucre est lié au groupe hydroxyle fixé à l’extrémité 3′ de carbone du sucre suivant en ligne. Les liaisons chimiques par lesquelles les composants de sucre de nucléotides adjacents sont reliés par l’intermédiaire des groupes phosphate sont appelées liaisons phosphodiester.

L’orientation 5′-3′-5′-3 ‘de ces liens se poursuit tout au long de la chaîne formant un groupe 5′-phosphate (5′-P) à une extrémité et un groupe 3′-hydroxyle (3′-OH) à L’autre. L’asymétrie des extrémités d’un brin d’ADN crée une polarité dont le sens est déterminé par ces extrémités 5′ phosphate et 3’ hydroxyles.

Trois ans avant la proposition de la structure tridimensionnelle essentiellement correcte de l’ADN par Watson et Crick comme une double hélice, Erwin Chargaff avait développé une technique chimique pour mesurer la quantité de chaque base présente dans l’ADN. Comme nous  décrivons sa technique nous allons représenter la concentration molaire de chaque base par le symbole de la base entre crochets; par exemple, [A] désigne la concentration molaire de l’adénine. Chargaff a utilisé sa technique pour mesurer la [A], [T], [G] et [C] dans le contenu de l’ADN à partir d’une variété de sources. Il a constaté que dans la composition des bases de l’ADN, la quantité de G + C était constante dans toutes les cellules de l’organisme et à l’intérieur d’une espèce mais différait d’une espèce à l’autre.

Chargaff a également observé certaines relations régulières entre les concentrations molaires des différentes bases. Ces relations sont maintenant appelées les règles de chargaff:

La quantité d’adénine est égale à celle de thymine : [A] = [T].

La quantité de guanine est égale à celle de cytosine : [G] = [C].

La quantité des bases puriques est égale à celle des bases pyrimidiques : [A] + [G] = [T] + [C].

Bien que la base chimique de ces observations n’était pas connue à l’époque, l’une des caractéristiques intéressantes de la structure de Watson-Crick des brins complémentaires appariés était exactement ce qui était expliqué par les règles de Chargaff. Parce que A est toujours jumelé avec T dans l’ADN double brin il doit suivre ce que [A] = [T]. De même parce que G est appariée avec C, [G] = [C]. La troisième règle suit par addition des deux autres : [A] + [G] = [T] + [C].

La structure physique de la double hélice :

Dans la structure tridimensionnelle de la molécule d’ADN proposé en 1953 par Watson et Crick, la molécule est constituée de deux chaînes polynucléotidiques subissant une torsion,l’une autour de l’autre pour former une hélice double brin dans laquelle l’adénine, la thymine, la guanine et la cytosine sont appariées dans des brins opposés. Dans la structure standard, appelée la forme d’ADN B, chaque chaîne fait un tour complet tous les 34 A°.

L’hélice est droitière ce qui signifie que, quand vous regardez le long de la structure de l’ADN, chaque chaîne suit un chemin dans le sens horaire à mesure qu’elle progresse. Les bases sont espacées à 3,4 A donc il y a dix bases par tour d’hélice dans chaque brin et dix paires de bases par tour de la double hélice. Chaque base est jumelée à une base complémentaire dans l’autre brin par des liaisons hydrogène, qui fournissent la principale force maintenant les brins ensemble (une liaison hydrogène est une liaison faible dans laquelle deux atomes chargés négativement partagent un atome d’hydrogène). Les paires de bases sont planes, parallèles entre elles et perpendiculaires à l’axe longitudinal de la double hélice.

Lors de l’examen d’une molécule d’ADN les biologistes moléculaires font souvent référence à des brins individuels, comme simples brins ou l’ADN simple brin et à double hélice comme l’ADN double brin ou à une molécule duplex. Les deux rainures en spirale à l’extérieur de la double hélice ne sont pas symétriques, une rainure, appelée le grand sillon, est plus grande que l’autre qui est appelée le sillon mineur. Les protéines qui interagissent avec l’ADN double brin ont souvent des régions qui entrent en contact avec les paires de bases en s’ajustant dans le grand sillon, dans le petit sillon ou dans les deux rainures.

L’élément central de la structure de l’ADN est l’appariement des bases complémentaires A avec T et G avec C. Les liaisons hydrogène qui se forment dans la paire de bases adénine-thymine et dans la paire  guanine-cytosine sont illustrées sur la figure ci-dessus notez qu’une paire A-T a deux liaisons hydrogène et qu’une paire de G-C a trois liaisons hydrogène. Cela signifie que la liaison hydrogène entre G et C est plus forte dans le sens où il faut plus d’énergie pour rompre, par exemple la quantité de chaleur nécessaire pour séparer les brins appariés dans une ADN duplex augmente avec le pour cent de G + C parce que rien ne limite la séquence de bases dans un seul brin, toute séquence peut être présente le long d’un brin. Ceci explique l’observation de Chargaff que l’ADN de différents organismes peut avoir différentes compositions de base. Cependant parce que les brins de l’ADN duplex sont complémentaires, règles de Chargaff de [A] = [T] et [G] = [C] sont vraies quelle que soit la composition des bases .

Chaque épine dorsale dans une double hélice se compose de sucres désoxyribose alternant avec des groupes phosphate qui lie l’atome de carbone 3′ d’un sucre à l’atome de carbone 5′ du sucre suivant sur la ligne. Les deux brins polynucléotidiques de la double hélice sont orientés dans des directions opposées dans le sens que les bases qui sont appariés sont liés aux sucres respectivement au-dessus et en-dessous du plan de couplage. Ce décalage existe parce que les liaisons phosphate dans les ossatures courent dans des directions opposées et les brins sont dits antiparallèles. Cela signifie que chaque extrémité de la double hélice possède un groupe 5′-P (sur un brin) et un groupe 3′-OH (de l’autre brin) comme le montre la figure ci-dessous :

Les diagrammes des ADN duplex sont statiques et donc quelque peu trompeurs. En réalité l’ADN est une molécule dynamique constamment en mouvement. Dans certaines régions les brins peuvent se séparer brièvement puis se réunir à nouveau dans la même conformation ou dans une autre. Bien que la double hélice droitière est la forme standard l’ADN peut constituer plus de 20 variantes légèrement différentes d’hélices droitières et dans certaines régions peut même exister des hélices dans lequeles les brins sont  gauchers (appelées la forme Z de l’ADN) . S’ il y a des tronçons complémentaires de nucléotides dans le même brin et, si ce brin est séparé de son partenaire, il peut se replier sur lui-même comme une épingle à cheveux. Même les triples hélices composées de trois brins peuvent se former dans les régions de l’ADN qui contiennent des séquences de base appropriées.

Qu’est ce qu’un matériel a besoin pour jouer le rôle de transmission génétique ?

Chaque polymère  ne serait pas utile comme matériel génétique. Cependant l’ADN est admirablement adaptée à une fonction génétique parce qu’elle satisfait aux trois exigences essentielles d’un matériel génétique. Premièrement, tout le matériel génétique doit pouvoir être reproduit avec précision de sorte que l’information qu’il contient soit précisément reproduit et hérité par les cellules fille. Dans l’ADN cela se fait au moyen d’un code génétique dans lequel des groupes de trois bases spécifient les acides aminés. Du fait que les quatre bases dans une molécule d’ADN peuvent être disposées dans un ordre quelconque et parce que la séquence peut varier d’une partie de la molécule à l’autre et d’un organisme à l’autre, l’ADN peut contenir un grand nombre de régions uniques, chacun d’eux pouvant être un gène distinct. Une longue chaîne d’ADN peut diriger la synthèse d’une grande variété de molécules de protéines.

Un matériel génétique doit aussi être capable de subir des mutations occasionnelles dans lesquelles l’information qu’il porte est modifiée. En outre les molécules mutantes doivent être capables de se répliquer aussi fidèlement que la molécule parentale de sorte que les mutations deviennent héréditaires. Watson et Crick ont suggéré que des mutations héréditaires pourraient être possibles dans l’ADN par mauvais appariement rare des bases avec le résultat qu’un nucléotide incorrect est incorporé dans un brin d’ADN en répliquation.

1. Définition

La réplication de l’ADN est l’un des principaux mécanismes du cycle cellulaire. C’ est un processus biologique très régulé au cours duquel sont mises en place des mécanismes de réparation pour assurer l’intégrité du génome.

La phase S ou phase de réplication suit la phase G1 pendant laquelle la cellule a synthétisé tous les éléments nécessaires à cette réplication. La duplication de l’ADN dure environ 8 heures.

 

2. Acteurs de la réplication

2.1. Brin matrice

La double hélice d’ADN est séparée en 2 brins d’ADN parents. Chaque brin sert alors de matrice pour la synthèse d’un nouveau brin ou brin fils.

La réplication produit ainsi 2 molécules hybrides formées d’un brin parent et d’un brin fils: la réplication est semi conservatrice.

2.2. Nucléotides

• Nucléotides: dATP,       dCTP, dTTP apportant à la fois :
  • le substrat : le nucléoside monophosphate,
  • l’énergie pour relier les nucléotides entre eux.

2.3. Enzymes

• Il existe plusieurs ADN polymérases selon leur activité réplicative :

• • alpha : début de la réplication
  • delta : réplication du génome nucléaire
  • gamma : réplication du génome mitochondrial
  • beta : réparation de l’ADN
  • epsilon : réplication des télomères

• D’autres protéines sont également nécessaires lors de la réplication

3. Mécanisme de la réplication

3.1. Origines de réplication

Chez les eucaryotes, la réplication est initiée à plusieurs origines de réplication appelées OriC, contrairement aux procaryotes chez qui il n’existe qu’une seule origine de replication.

Les cellules eucaryotes doivent répliquer à chaque cycle cellulaire la totalité de leur génome. Afin de réaliser ce processus en un temps record, l’initiation de la réplication au cours de la phase S du cycle cellulaire se fait au niveau de plusieurs OriC ou « origines de réplication » le long du chromosome (environ 10000) dans des unités de réplications indépendantes appelées réplicons (30 à 300 pb).

Chez les Eucaryotes, les origines de réplication les mieux caractérisées sont celles de la levure. Elles sont nommées ARS pour Autonomously Replicating Sequence. Ces régions ARS, riches en AT, possèdent des sites de fixation pour les complexes ORC.

Ensuite seront recrutées d’autres protéines capables de dérouler la double hélice d’ADN (par activation des hélicases).

3.2. Activation des origines de réplication

3.2.1. Formation du complexe de pré-réplication

Les origines de réplication sont reconnues par des complexes protéiques « ORC » (Complexe de Reconnaissance de l’Origine) formées de six sous-unités dont chacune se fixe sur chaque origine de réplication.

Suite à cette fixation, deux autres facteurs protéiques, Cdc6/Cdc18 et Cdt1, rejoignent le premier complexe pour le recrutement de six complexes protéiques Mcm2-7 (Mcm2, 3, 5, 6, 7, 8).

3.2.2. Activation du complexe pré-RC

1. Activation des CDK
2. phosphorylation/ activation des protéines dont les hélicases Mcm2-7
3. hélicases déroulent la double hélice d’ADN et séparent les 2 brins

Le déroulement de l’ADN et la séparation des 2 brins font apparaître des régions d’ADN simple brin, stabilisées par des protéines RPA (protéines de réplications A), accessibles aux enzymes et protéines nécessaires à la réplication.

4.recrutement des ADN polymérases et autres protéines

3.3. Les ADN polymérases

Les ADN polymérases (ou désoxynucléotidyl-transférase) sont les enzymes responsables de la polymérisation des nucléotides lors de la réplication de l’ADN. Les ADN polymérases procaryotes sont de 3 types (I, II et III) et les ADN polymérases eucaryotes de 5 types (α, β, δ, ε et γ).

3.3.1 L’ADN polymérase α

L’ADNpol α – primase synthétise l’amorce (= primer) qui est un court segment d’ARN (10 paires de bases). Ces courts fragments d’ARN sont ensuite allongés par un fragment d’ADN adjacent de 20 à 40 nucléotides de long. Une amorce ARN-ADN est ainsi créée.

3.3.2. L’ADN polymérase δ

La synthèse de l’ADN se fait toujours dans le sens 5’ vers 3’, ceci nécessite donc la présence d’un brin précoce (ou primaire) qui est le brin lu dans le sens de la fourche et d’un brin tardif (ou secondaire) qui est le brin lu dans le sens inverse de la fourche et qui est dit brin discontinu. On parle ainsi de réplication semi-discontinue.

Un complexe RF-C/PCNA (facteur de réplication C-antigène nucléaire de prolifération cellulaire) se fixe sur l’extrémité 3’OH de cette amorce ARN/ADN néosynthétisée, dissocie l’ADN polymérase α de la matrice d’ADN, laissant la place à l’ADN polymérase δ qui reconnaît le complexe RFC/ PCNA et sera responsable de la synthèse du brin continu.

Sur le brin à synthèse discontinue, l’ADN polymérase α-primase préalablement dissociée remet en route la synthèse d’une nouvelle amorce d’ARN/ADN. Sur ce brin d’ADN 5′ → 3′, l’enzyme synthétise de multiples petits fragments d’ADN à la suite des amorce, ce sont les « fragments d’Okazaki » (long d’environ 1000 à 5000 nucléotides).

Au fur et à mesure de la progression de la fourche de réplication :

• des hélicases déroulent la double hélice d’ADN,
• des topo- isomérases diminuent les torsions de l’ADN en amont de ces fourches.

3.3.3. L’ADN ligase

Elle reconstitue la liaison phosphoester entre le carbone 3′-OH et le phosphate-5′ de deux nucléotides voisins sur un brin de DNA.

Elle intervient aussi dans de nombreux processus de réparation de l’ADN.

3.4 Les enzymes topo-isomérases

• Type I

– réalise une coupure sur l’un des brins de l’ADN.

– transitoire

– relâche la torsion.

– pas d’ATP nécessaire.

• Type I I

– réalise une coupure sur les deux brins de l’ADN.

– ATP nécessaire.

Les enzymes (« dans la levure») sont des catalyseurs de réactions chimiques des systèmes biologiques. La plupart des enzymes sont des protéines et ils utilisent souvent des ions métalliques ou des groupes prosthétiques comme les vitamines qui vont aider à la catalyse.

Beaucoup de troubles génétiques héréditaires résultent d’une défectuosité ou même une absence totale d’une enzyme particulière, ou une activité excessive d’une enzyme. La mesure de l’activité des enzymes dans les fluides corporels est importante dans le diagnostic de divers pathologies. De plus de nombreux médicaments agissent en modifiant les activités des enzymes. Et les enzymes sont des outils pratiques en laboratoire.

Les enzymes accélèrent les taux de réactions biochimiques. Le site actif d’une enzyme est généralement une fente ou poche dans laquelle se déroule la réaction. Une molécule qui se lie au site actif et qui est sollicité par l’enzyme est appelée un substrat. Une simple équation pour une réaction catalysée par une enzyme peut s’écrire:

E + S ↔ES ↔ EP ↔ E + P

Où E est l’enzyme, le substrat S est, P est produit

Les enzymes ne changent pas l’équilibre de la réaction, mais ils modifient la vitesse en avant ou en arrière des réactions. Les enzymes restent inchangés après la réaction.
Quelques exemples d’enzymes catalysent les taux d’avancements:
Anhydrase carbonique 10000000 X,
Thriose phosphate isomérase 1000000000 X,
Carboxypeptidase A 1000000000000 X
En comparaison de la réaction non catalysée versus catalysée, l’énergie d’activation est plus faible lorsque la réaction est catalysée par une enzyme.
Une idée sur le fonctionnement des enzymes est que ces derniers se fixent à l’état de transition mieux avec le substrat ou le produit stabilisant ainsi l’état de transition.
Cette réaction commence par un substrat ayant une valeur de force énergétique et qui se dirige vers une barrière (appelée l’état de transition) qui va descendre pour former le produit. Lors de la réaction, le produit est à une énergie de force inférieure :  c’est une réaction spontanée mais qui peut-être très lente comme beaucoup de réactions en biologie. C’est pourquoi nous avons besoin d’enzymes pour accélérer ces réactions.
Nous savons que les enzymes réduisent l’énergie des états de transition et nous allons voir comment les enzymes peuvent agir. La constante d’équilibre d’une réaction n’est que le rapport du produit sur son ​​substrat: K = produit / substrat

Mécanismes d’action des enzymes

Les enzymes accélèrent la réaction métabolique en abaissant les barrières d’énergie.
– Un catalyseur est un agent chimique qui accélère une réaction sans être consommé par la réaction.  Une enzyme est une protéine catalytique
L’hydrolyse du saccharose par l’enzyme sucrase est un exemple d’une réaction catalysée par une enzyme:
C’est une réaction spontanée dans le sens que nous pourrions mélanger du saccharose dans de l’eau afin de voir la décomposition de ses composants. Mais il faut attendre très longtemps (la réaction spontanée) n’est pas une réaction rapide. Nous ajoutons alors des enzyme et ainsi nous pouvons rapidement (probablement en secondes) voir la décomposition. La réaction est accélérée par les enzymes. Ces derniers sont très spécifiques, par exemple en cas d’incubation de la sucrase avec d’autres disaccharides tels que le maltose, elle ne va pas être capable de cliver le maltose en sa composante sucres! et ceci est un autre aspect des enzymes, ils sont très bien spécifiques.

 

La barrière d’énergie d’activation

Chaque réaction chimique entre les molécules implique la rupture d’une liaison et la formation d’une autre liaison.
L’énergie initiale nécessaire pour démarrer une réaction chimique est appelée l’énergie de la force de l’activation ou l’énergie d’activation (EA).
L’énergie d’activation est souvent fournie sous la forme de chaleur environnante.
Comment les enzymes abaissent la barrière EA :
– Les enzymes catalysent les réactions en abaissant la barrière énergétique.
–  les enzymes n’affectent pas la variation de l’énergie de la force (à la place, ils se accélèrent des réactions qui pourraient éventuellement se produire.

 

Spécificité enzymes/ substrats
– L’enzyme se lie à son substrat et forme ainsi un complexe enzyme-substrat
– Le site actif est la région de l’enzyme sur laquelle substrat se lie.
– la fixation du substrat induit sur l’enzyme l’ajustement des groupes chimiques du site actif dans des positions qui améliorent leur capacité à catalyser la réaction.
En général les enzymes sont vraiment d’énormes molécules et leur site actif est généralement petit par rapport à la structure globale de l’enzyme de manière à créer l’architecture qui est nécessaire pour placer des acides aminés individuels à partir du polypeptide segmenté au bon endroit dans l’espace 3D dans le site actif de sorte que les substrats peuvent s’y fixer et la réaction peut se produire. Et il faut donc tout ce supplément de protéines pour créer la structure qui est essentielle pour assurer que la réaction ait lieu.

Catalyse dans le site actif de l’enzyme
Dans une réaction enzymatique, sous les substrat se lie au site actif de l’enzyme.
Le site actif peut réduire la barrière EA
– en orientant correctement substrats
– en maintenant les lies avec le substrat.
-en fournissant un micro-environnement favorable
– en formant des liens covalentes avec le substrat

L’énergie de liaison contribue à la catalyse de multiples façons:
– Réduction de l’entropie
– Désintégration du substrat
– Ajustement Induite

Réactions exergoniques vs réactions endergoniques

Les réactions exergoniques rejettent de l’énergie dans le système. Ces sont des réactions spontannées.

Les réactions endergoniques quant à elles absorbent de l’énergie à partir du système. Ce sont des réactions non spontanées.
Le travail de l’ATP cellulaire est de procéder à des de couplages de réactions exergoniques avec des réactions endergoniques.
Une cellule a plusieurs types d’activités:
– Chimique
– Transport
– Mécanique
Pour ce faire des cellules doivent gérer les ressources d’énergie par couplage de l’énergie. L’utilisation d’un processus exergonic pour mener à bien une réaction endergonique.
La source principale d’énergie dans la cellule est médiée par l’ATP.
La structure et l’hydrolyse

Most energy coupling in cell is mediated by ATP.

La structure et l’hydrolyse

ATP (adénosine triphosphate) est la navette de l’énergie de la cellule.
ATP est composé de ribose (un sucre);;;;;;;;;;;;;;; (une base azotée) et trois groupes phosphate.
Les bandes entre les groupes phosphate de la queue de l’ATP peuvent être rompues par hydrolyse.

L’énergie est libérée à partir de l’ATP alors que la bande de phosphate terminal est en panne.
Cette libération d’énergie provient de la transformation chimique à un état d’énergie inférieur libre: pas de bandes de phosphate eux-mêmes.

Les trois types de travaux cellulaire (mécanique, le transport et chimique) sont alimentés par l’hydrolyse de l’ATP.

Dans la cellule, l’énergie provenant de la réaction d’hydrolyse de l’ATP exergonique peut être utilisé pour entraîner une réaction endergonique.
Dans l’ensemble, les réactions couplées sont exergoniques.
ATP entraîne des réactions endergoniques par phosphorylation : transfert d’un groupe phosphate à une autre molécule, telle qu’un réactif. =>La molécule du destinataire est maintenant phosphorylée.

La régénération de l’ATP
L’ATP est une ressource renouvelable qui est régénérée par addition d’un groupe phosphate à l’adénosine diphosphate (ADP).
L’énergie de phosphoryler l’ADP;;;;;;;;; provient des réactions cataboliques dans la cellule.
L’énergie potentielle chimique regroupé temporairement en ATP va permettre la majeure partie de l’activité cellulaire.

                           Le dogme central de la biologie moléculaire

Le dogme central est la séquence classique d’événements:
L’ADN produit un ARN par transcription et l’ARN produit des protéines (protéines structurales et enzymes) par traduction.
Transcription: production de l’ARN (en prenant l’information de l’ADN et copier les informations (forme de transition) ARN qui est instable.
Traduction: est le fait de synthétiser une protéine à partir de l’information contenue dans l’ARN.

Contre dogme central:
– Les enzymes peuvent être aussi certaines formes d’ARN.
-A présent nous pouvons prendre de l’ARN et produire de l’ADN à partir de cela.
-Il y a des enzymes qui peuvent produire de l’ARN à partir d’ARN.
Nous allons commencer par transcription chez les procaryotes. La transcription chez les procaryotes produit un ARN qui va coder pour plus d’une protéine. La transcription commence au niveau du promoteur pour faire de l’ARN selon la même direction que l’ADN polymérase dans le sens (5 ‘→ 3’). L’ARN polymérase qui reconnaît le promoteur fait de la transcription (le promoteur est défini comme le site lié par l’ARN polymerase et où commence la transcription).

Il ya deux parties dans un promoteur: ils sont ainsi appelés séquences -10 et -35. Ces séquences -10 et -35 se réfèrent à la distance en paires de bases de la première base d’ADN qui est copié en RNA. Ces séquences sont très caractéristiques de tous les gènes.
La séquence -35 est reconnue par une protéine (une famille de protéines cibles) tels que les facteurs sigma qui sont des protéines régulatrices. Les ARN polymérases bactériennes sont formés par quatre sous-unités différentes (deux copies de grandes sous-unités appelées α et β et copies de β ‘) ⇒ α2ββ’.
α2ββ ‘est l’holoenzyme et le facteur σ est une sous-unité régulatrice qui intervient dans de nombreuses variétés. Il existe de nombreux facteurs σ, l’essentiel avec σ est qu’ils sont spécifiques à des promoteurs, exemples:
1) Choc thermique

2) Sporulation
Il existe de nombreux facteurs qui sont spécifiques à des promoteurs particuliers.

Les différences entre l’ADN et de l’ARN:

1) 2 ‘OH est spécial pour l’ARN
L’ADN est désoxy. Ce groupe OH rend les ARN instables et vulnérables vis-à-vis des enzymes ou des bases ou des différents types de conditions biophysiques. Ainsi, l’ARN a été conçu pour être instable. Pourquoi l’ARN doit être instable (les premières formes de vie utilisaient l’ARN comme matériel génétique). Pourquoi nous utilisons une molécule instable? c’est probablement pour le contrôle de l’expression génique.
2) l’uracyle au lieu de la thymidine
3) aucune amorce nécessaire à la synthèse de l’ARN à partir d’ARN

4) synthétisé en 5 ‘→ 3’ (la chimie impliquée est identique à l’ADN polymerase): Initiation-allongement- terminaison
Étape 1: complexe promoteur fermé
Étape 2: formation de complexe ouvert de promoteur qui est de 17 paires de bases (normalement il ya 10 paires de bases par tour de l’hélice) donc 17 est presque deux tours de l’hélice dans cette situation, l’ARN polymérase commence à synthétiser de l’ARN.

Comment pouvons-nous le confirmer? par empreinte génétique….

La photosynthèse est le processus qui convertit l’énergie solaire en énergie chimique. Directement ou indirectement, la photosynthèse nourrit presque les mondes vivants.

-Autotrophe : Se maintenir sans rien consommer qui soit issu d’autres organismes

-Autotrophes : Sont les producteurs de la biosphère, produisant des molécules organiques à partir de CO2 et d’autres molécules inorganiques.

-Près de toutes les plantes sont photo-autotrophes, en utilisant l’énergie de la lumière du soleil pour faire des molécules organiques à partir de H2O et CO2.

-Heterotrophes : Obtenir de la matière organique provenant d’autres organismes.

-Heterotrophes : Sont les consommateurs de la biosphère. -Près de tous les hétérotrophes, y compris les humains, dépendent des photo-autotrophes pour l’alimentation et O2

La photosynthèse

-La photosynthèse : Convertit l’énergie lumineuse en énergie chimique des aliments.

-Chloroplastes : Sont structurellement similaires et ont probablement évolué à partir de bactéries photosynthétiques.

-L’organisation structurale de ces cellules permet aux réactions chimiques de la photosynthèse.

-Les Chloroplastes ont leur propre ADN et leurs propres ribosomes.

Les chloroplastes: le site de la photosynthèse des plantes

-Les feuilles : Sont les principaux lieux de la photosynthèse

-leur Couleur verte est due à la chlorophylle, le pigment vert présent dans les chloroplastes

-La lumière : Énergie absorbée par la chlorophylle qui entraîne la synthèse de molécules organiques dans le chloroplaste

-CO2 : Entre et sort de la feuille à travers les pores microscopiques appelés stomates

-Chloroplastes : Se trouvent principalement dans les cellules du mésophile, le tissu interne de la feuille
-La cellule de mésophylle typique possède 30 à 40 chloroplastes.

-La Chlorophylle se trouve dans les membranes thylacoïdes (sacs dans le chloroplaste reliées), les thylakoïdes peuvent être empilés en colonnes appelées Grana.

– Les chloroplastes contiennent également un stroma qui est un fluide dense
Suivi des atomes au cours de la photosynthèse

– La photosynthèse peut être résumée comme l’équation suivante:

6CO2 + 12H2O énergie + light + 6O2 → C6H12O6 + 6H2O

– Les chloroplastes, H2O décomposée en hydrogène et de l’oxygène, incorporant les électrons de l’hydrogène dans les molécules de sucre
La photosynthèse est un processus d’oxydo-réduction dans laquelle on oxyde l’H2O et réduit le CO2 .

CO2 + H2O + O2 → ⌊ch2o⌋ ou CO2 + H2S + 2S → ⌊CH2O⌋

Les deux stades de la photosynthèse La photosynthèse se compose des réactions légères (la partie de la photo) et cycle de Calvin (la partie de synthèse). Les réactions à la lumière (dans les thylakoïdes)

• de fission de l’H2O

• sortie de l’O2

• Réduire NADP + en NADPH

• Générer ATP à partir d’ADP par phosphorylation

Le cycle de Calvin (dans le stroma) forme du sucre à partir de CO2 en utilisant l’ATP et NADPH.

• Le cycle de Calvin commence par la fixation du carbone, intégrant CO2 en molécules organiques.

• Les chloroplastes sont des usines chimiques solaires.

• Leurs thylakoïdes transforment l’énergie lumineuse en énergie chimique de l’ATP et le NADPH
La nature de la lumière du soleil

– La lumière est une forme d’énergie électromagnétique, également appelée rayonnement électromagnétique

– Comme les autres énergies électromagnétiques, la lumière progresse par ondes rythmiques

– La longueur d’onde est la distance entre les crêtes d’ondes

– La longueur d’onde détermine le type d’énergie électromagnétique

– Spectre électromagnétique est l’ensemble de la gamme d’énergie électromagnétique ou un rayonnement.

– La lumière visible est constituée de longueurs d’onde (y compris ceux qui conduisent la photosynthèse) qui produisent des couleurs que nous pouvons voir.

– La lumière se comporte aussi comme si elle était constituée de petites particules appelées photons.

                                              Les pigments photosynthétiques

Les pigments sont des substances qui absorbent la lumière visible. Différents pigments absorbent des longueurs d’onde différentes Longueurs d’onde qui ne sont pas absorbés sont réfléchies ou transmises Les feuilles sont vertes parce que la chlorophylle reflète et transmet la lumière verte. Un spectrophotomètre mesure la capacité d’un pigment à absorber différentes longueurs d’onde. Cette machine envoie la lumière à travers des pigments et mesure la fraction de lumière transmise à chaque longueur d’onde.

 

                                                      spectrophotomètre

Un spectre d’absorption est un graphique représentant une lumière de longueur d’onde par rapport à un pigment absorption. Le spectre d’absorption de la chlorophylle suggère que, la lumière bleu-violet et rouge, fonctionnent le mieux, pour la photosynthèse. Un spectre d’action, les profils de l’efficacité relative des différentes longueurs d’onde de rayonnement dans la conduite d’un processus. Le spectre d’action de la photosynthèse a été démontrée en 1883 par Theodor W.Engelmann. Dans son expérience il a exposé les différents segments d’algues filamenteuses à différentes longueurs d’onde. Les champs favorables à la photosynthèse produisent de l’O2 en excès. Il a utilisé la longueur d’onde de bactéries aérobies groupés le long des algues en tant que mesure de la production en O2.

La chlorophylle est un des principaux pigments de photosynthèse. Les pigments accessoires tels que la chlorophylle b permettent d’élargir le spectre utilisé pour la photosynthèse. Les pigments accessoires appelés caroténoïdes absorbent la lumière excessive qui nuirait à la chlorophylle b.

                Structure de pigments chlorophylle a et b

Excitation de la chlorophylle par la lumière
Excitation de la chlorophylle. Lorsque qu’un pigment absorbe la lumière, il passe d’un état fondamental à un état excité, qui est instable. Lorsque les électrons excités retombent à l’état du sol, les photons sont libérés, une rémanence appelé fluorescence. Si illuminée une solution isolée de chlorophylle sera fluorescente, donnant de la lumière et de la chaleur.

                                Introduction à la bioénergétique

La respiration cellulaire est composée de trois composantes:

1. Les réactions d’oxydoréduction (oxydo-réduction)

2. La chaîne respiratoire

3. La glycolyse

En fait les cellules vivantes ont besoin d’énergie provenant de sources externes. Certains animaux obtiennent de l’énergie en mangeant des plantes et quelques autres se nourrissent d’autres organismes qui se nourrissent de plantes, et les plantes reçoivent de l’énergie des rayons du soleil.

Pour résumé :

Les flux d’énergie dans un écosystème comme la lumière du soleil sous forme de chaleur.

                                                                       ↓

La photosynthèse génère O2 et des molécules organiques qui sont utilisés dans la respiration cellulaire.

                                                                        ↓

Les cellules utilisent l’énergie chimique stockée dans les molécules organiques pour régénérer l’ATP.

Ces voies cataboliques résultant de la production de l’ATP sont exergoniques (c.-à-d. que de l’énergie est libérée pendant le processus). Les cellules fonctionnent de différentes manières:

• La fermentation est une dégradation partielle des sucres qui se produit en l’absence d’O2.

• La respiration aérobie est la respiration cellulaire : il consomme des molécules organiques et donne de l’ATP.

• La respiration anaérobie est semblable à la respiration aérobie mais consomme des composés autres que l’O2.

Les réactions d’oxydoréduction (oxydation et réduction) impliquent : Un transfert d’électrons au cours des réactions chimiques qui libère l’énergie stockée dans les molécules organiques. L’énergie libérée est finalement utilisé pour synthétiser de l’ATP.

                                                   Le principe de redox

Les réactions chimiques qui transfèrent des électrons entre les réactifs sont appelées réactions d’oxydo-réduction, ou des réactions d’oxydo-réduction. Dans l’oxydation, une substance perd des électrons, ou est oxydé. En matière de réduction, une substance gagne des électrons, ou est réduit (la même quantité de charge positive est réduite)

Exemple:   Na Cl  →  Cl-  +   Na+                  Na = oxydé           Cl = réduite

Nous pouvons schématiser d’une manière générale: agent réducteur + l’agent oxydant →  agent réduit + agent oxydé

Le donneur d’électrons est appelé agent réducteur et le récepteur d’électrons est appelé l’agent oxydant. Certaines réactions redox ne transfèrent pas les électrons mais le partage d’électrons dans des liaisons covalentes.

Un exemple est la réaction entre le méthane et l’O2

                                      La respiration cellulaire

Pendant la respiration cellulaire, le combustible (comme le glucose) est oxydé. L’oxygène est un agent très négative. Le glucose est le carburant de l’organisme, mais la réaction ne se produit pas en une seule étape mais au cours de plusieurs étapes; c’est une réaction très exergonique en Kcal / molécule.
Pourquoi il n’y a pas de combustion spontanée avec le glucose? Parce que l’énergie d’activation est élevée: la récolte d’énergie par étapes et la chaîne de transport d’électrons. Dans la respiration cellulaire, le glucose et d’autres molécules organiques se décomposent en une série d’étapes. Les électrons libérés à partir de composés organiques sont d’abord transférés à un coenzyme, accepteur d’électrons, qui fonctionne comme un agent oxydant au cours de la respiration cellulaire. Chaque NADH (forme réduite de NAD+) représente l’énergie stockée qui peut être exploitée pour synthétiser de l’ATP. NADH transmet les électrons à la chaîne de transport d’électrons. Contrairement à une réaction incontrôlée la chaîne de transport d’électrons passe les électrons en une série d’étapes au lieu d’une réaction explosive. L’énergie produite est utilisée pour régénérer l’ATP.

Les étapes de la respiration cellulaire:

La respiration cellulaire comporte trois étapes:

• La glycolyse (décompose le glucose en deux molécules de pyruvate)

• Le cycle de l’acide citrique (complète la dégradation du glucose)

• La phosphorylation oxydative (représente  la synthèse d’ATP)

La chaîne de transport: GlucoseNADHelectron .

La glycolyse se produit dans le cytosol. Et quand le pyruvate est produit, il entre dans le cycle de l’acide citrique qui se passe à l’intérieur des mitochondries. Le processus qui génère le plus de l’ATP est appelé phosphorylation oxydative, car il est alimenté par des réactions redox. La phosphorylation oxydative compte pour près de 90% de l’ATP généré par la respiration cellulaire. Une plus petite quantité d’ATP est formée dans la glycolyse et par le cycle de l’acide citrique par la phosphorylation au niveau du substrat.

La glycolyse récolte l’énergie chimique par oxydation du glucose en pyruvate. La glycolyse se produit dans le cytoplasme et possède deux grandes phases:

• phase d’investissement de l’énergie

• phase de gain d’énergie

Il existe différentes vois métaboliques :
– Le thermodynamisme
– L’énergie libre
Introduction aux enzymes
Vue d’ensemble: l’énergie de la vie
La cellule vivante est une usine chimique miniature où des milliers de réactions ont lieu. La cellule extrait de l’énergie et de l’énergie qu’elle va utiliser pour élaborer différentes réactions. Certains organisme convertissent même l’énergie en lumière: c’est la bioluminescence.
Organisation de la biochimie dans les voies métaboliques
Une voie métabolique commence par une molécule spécifique et se termine avec un produit. Chaque étape est catalysée par une enzyme. Certains voies métaboliques décomposent des molécules. Ces voies cataboliques libèrent de l’énergie en cassant les molécules complexes en des composés plus simples.
La respiration cellulaire, la dégradation du glucose en présence d’oxygène, est un exemple d’une voie de catabolisme. D’autres voies métaboliques créent des molécules. Ce sont les voies anaboliques qui consomment de l’énergie pour construire des molécules complexes. La synthèse des protéines à partir des acides aminés est un exemple d’anabolisme.

La bioénergétique est l’étude de la façon dont les organismes gèrent leurs ressources énergétiques. L’énergie est la capacité de provoquer un changement. L’énergie existe sous différentes formes dont certaines peuvent réaliser des travaux.
L’énergie cinétique est l’énergie associée au mouvement. La chaleur (énergie thermique) est l’énergie cinétique associée au mouvement aléatoire des atomes ou des molécules.
L’énergie potentielle est l’énergie que possède une matière en raison de son emplacement ou de sa structure. L’énergie chimique est l’énergie potentielle disponible et libérée lors d’une réaction chimique. L’énergie chimique peut être convertie d’une forme à une autre.

Les lois de la transformation de l’énergie

La thermodynamique est l’étude de la transformation. Un système d’énergie fermé, comme celui d’un liquide dans un thermos, est isolé de son environnement. Dans un système ouvert, de l’énergie et de la matière peuvent être transformées entre le système et son environnement. Les organismes sont des systèmes ouverts.

La première loi de la thermodynamique

Selon la première loi de la thermodynamique, l’énergie de l’univers est constante: l’énergie peut être transférée et transformée, mais elle ne peut être ni créée ni détruite. La première loi est aussi appelée le principe de conservation de l’énergie.

La deuxième loi de la thermodynamique

Lors de chaque transfert d’énergie ou de  transformation, une partie de l’énergie est inutilisable et est souvent perdue sous forme de chaleur. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, chaque transfert d’énergie ou de transformation augmente l’entropie (désordre) de l’univers.

Les cellules vivantes convertissent inévitablement des formes structurées d’énergie en chaleur. Des process spontanés se produisent sans apport d’énergie, ils peuvent se produire rapidement ou lentement. Pour qu’un processus se produise sans apport d’énergie, il faut augmenter l’entropie de l’univers.

Ordre biologique et le désordre

Les cellules créent des structures ordonnées à partir de matériaux moins ordonnés. Les organismes remplacent aussi des formes ordonnées de la matière et de l’énergie avec des formes moins ordonnées. Les flux d’énergie pénètre dans un écosystème sous forme de lumière et sort sous la forme de chaleur. L’évolution augmente l’ordre dans les organismes au niveau local, mais augmente le désordre dans l’univers de sorte que la deuxième loi n’est pas violée.

Equilibre et  métabolisme

La réaction dans un système fermé peut atteindre l’équilibre et ne pas marcher. Les cellules ne sont pas en équilibre, ce sont des systèmes ouverts avec un flux constant de matière. Un trait caractéristique de la vie est que le métabolisme n’est jamais en équilibre. Une voie catabolique dans une cellule libère de l’énergie libre dans une série de réactions. La variation d’énergie libre de réaction indique si oui ou non la réaction se produit spontanément.

Les biologistes veulent savoir quelles réactions se produisent spontanément et lesquelles nécessitent de l’énergie. Pour ce faire, ils ont besoin de déterminer les changements d’énergie qui se produisent dans les réactions chimiques.

L’énergie libre d’un système vivant est l’énergie qui est disponible pour faire le travail lorsque la température et la pression sont uniformes comme dans une cellule vivante.

Variation d’énergie libre (ΔG)

La variation d’énergie libre (ΔG) au cours d’un processus est lié à la variation d’enthalpie ou de variation de l’énergie totale (ΔH), variation d’entropie (ΔS) et de la température en Kelvin (T):

   ΔG = ΔH – T ΔS

Seules les processus avec un Δg négatif sont spontanés. Les processus spontanés peuvent être exploitées pour effectuer un travail. Stabilité de l’énergie libre et de équilibre énergétique. L’énergie libre est une mesure de l’instabilité d’un système de sa tendance à passer à un état plus stable. Lors d’un changement spontané, l’énergie libre diminue et la stabilité d’un système augmente. L’équilibre est un état de stabilité maximale. Un processus est spontanée et ne peut effectuer un travail que lorsqu’il se déplace vers l’équilibre.

La division cellulaire est étroitement régulée (cancer est décrit comme une croissance cellulaire non régulée).

En ce qui concerne la division cellulaire, il ya une machine qui est un état transitoire et ce processus est renouvelé à chaque cycle cellulaire.
Les éléments clés de ce processus sont:
1) le fuseau mitotique : Il est constitué de microtubules ou cytosquelette, de centrioles, de kinétochores et anneau contractile.
2) et ce processus est commandé par un système de commande qui intègre les signaux de croissance et de division.
Ces signaux sont les suivants:
a) les kinases de la division cellulaire (CDK)
b) Chaque kinase a une activité qui est contrôlée par une cycline (sous-unité régulatrice de CDK) ;

c) et  l’activité de ces deux systèmes est commandé par un troisième système régulé par un mécanisme de destruction.

La division cellulaire est régulée:

Les cellules se divisent en 8 minutes mais les cellules typiques (par exemple les cellules du foie) se divise 1X/an, et les cellules de l’intestin se divisent 1X/jour.

1) La division cellulaire nécessite la répartition des organites :

A) Les organites tels que les ribosomes peroxysomes (1/2 va dans un côté et 1/2 de l’autre côté)

B) Les mitochondries ou chloroplastes: ce sont des anciennes bactéries capturées qui conservent leur propre mécanisme de division.

C) L’appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique deviennent de petites vésicules pendant le mitose, puis après la division cellulaire, ils se rassemblent ensemble pour reformer l’appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique

D) Le centrosome = centriole est encore mal comprise chez les cellules eucaryotes.

Le centriole possède son propre modèle de réplication et nous avons besoin d’un centriole pour former un nouveau centriole (centriole joue un rôle crucial dans la formation du fuseau mitotique afin de permettre à l’ADN de réaliser sa réplication.

G1 et G0: G1 est la phase dans laquelle la cellule se demande « suis-je assez grand pour me diviser » y a-t-il assez de nourriture?

Il ya aussi  + ou – des facteurs d’autres cellules ou de l’environnements. Et si la décision finale n’est pas de diviser la cellule, celle-ci reste à la phase G0 où il n’ya pas de division.

Phase S: la phase dans laquelle la réplication de l’ADN nucléaire et la réplication de l’ADN mitochondrial se produit.G2: une autre phase de prise de décision est G2: permet à la cellule de vérifier si chaque génome a été reproduit ou non. Si ce n’est pas le cas, il y a  un mécanisme qui demande à la cellule d’arrêter en G2 jusqu’à ce que le dernier nucléotide est reproduit. La phase G2 sera prolongé jusqu’à ce que la cellule soit prête a aller à en phase M. Un autre point de contrôle consiste à voir si chaque kinetochore a établi la fixation du fuseau bipolaire.

M: et enfin la mitose se produit:

Les chromosomes sont constitués d’une molécule d’ADN et les protéines associées, et il ne faut pas sous-estimer l’importance des protéines et de la masse des protéines associées à l’ADN (la masse est supérieure à la masse de l’ADN).Il ya des sites spécifiques sur les chromosomes et le plus important est le centromère. Le centromère est le point où le chromosome s’attache au fuseau mitotique pour permettre la ségrégation des chromosomes qui est c’est sa seule fonction; mais à ce point, il est y a une structure protéique très complète (cinquante protéines différentes appelées cordon de connexion. Ainsi, le cordon de connexion est la structure qui rassemble à ce stade les protéines de ségrégation).

Nous savons qu’il ya des origines de réplication de l’ADN multiples dans les cellules eucaryotes. A l’extrémité des chromosomes, il existe des structures spécialisées appelées télomères..

L’enzyme télomérase intervient dans la réplication des télomères.Les chromosomes ont beaucoup de gènes regroupées sur chaque chromosome.

Comment 22 250 gènes donnent des protéines ainsi que des ARN?

Ploïdie = nombre de jeux de chromosomes

= Organismes haploïdes qui ont un jeu de chromosomes

= Organismes diploïdes qui ont deux jeux de chromosomes

Triploïdes = organisme qui ont trois jeux de chromosomes

Tétraploïde = organisme qui ont quatre jeux de chromosomes

Hexaploïde = organisme qui ont six jeux de chromosomes

Octaploïdes = organisme qui ont huit jeux de chromosomes

La lettre N est utilisée pour indiquer le nombre de chromosomes par cellule haploïde.

Donc, pour les pommes de terre  N = 23 et pour nous qui sommes diploïdse, donc nous avons deux paires de 23 chromosomes.

La valeur de C fait référence au contact de l’ADN (quantité d’ADN dans la cellule)

N est une des fonctions discontinues mais la valeur C est la fonction continue.

Ainsi, la quantité d’ADN dans un nucléons diploïdes est C2 à G1 et la quantité de C dans G2 = 4C

Mais en G2 le nombre de chromosomes ne doit pas changer.

Comment mesurer la teneur en ADN?

Nous pouvons le faire grâce à un appareil incroyable

FACS = Cytométrie en flux

Le colorant fluorescent qui fixe l’ADN mais il colore l’ADN proportionnellement à la quantité.

Nous allons étudier la structure des membranes biologiques: le modèle de la mosaïque fluide, les protéines membranaires, l’osmose, le transport actif .
La membrane plasmique : constitue la limite séparant la cellule vivante de son environnement et présente une perméabilité sélective permettant à certaines substances de traverser plus facilement que d’autres.
Les membranes cellulaires sont des mosaïques de fluide de lipides et de protéines :
– Les phospholipides sont les lipide les plus abondants dans la membrane plasmique
– Les phospholipides sont des molécules amphiphiles, contenant des régions hydrophobes et   hydrophiles.
– Le modèle de la mosaïque fluide indique qu’une membrane est une structure fluide avec une «mosaïque» de diverses protéines noyées dans la masse.

Techniques de fracture/ congélation:

– Cette technique étudie  le modèle de la mosaïque du fluide de la membrane plasmatique.

– C’est une technique de préparation spécialisée qui divise la membrane tout le long de la bicouche de phospholipides.

La fluidité des membranes :

– Les phospholipides de la membrane plasmatique peuvent se déplacer dans la bicouche

– La plupart des lipides et des protéines dérivent latéralement.

– les molécules basculent rarement transversalement à travers la membrane

Les protéines membranaires et leurs fonctions:

– Les protéines périphériques sont liées à la surface de la membrane

– Les protéines intégrales pénètrent dans le noyau hydrophobe

– Les protéines intégrales qui traversent la membrane sont appelés protéines  transmembranaires.

– Les régions hydrophobes des protéines intégrales constituent un ou plusieurs tronçons

Six fonctions majeures des protéines membranaires:

– transport

– activité enzymatique

– transduction de signal

– reconnaissance cellule-cellule

– joints intercellulaires

– attachement au cytosquelette et à la matrice extracellulaire

Synthèse et partialité des membranes :

– Les membranes ont une face intérieure distincte de la face externe

– La distribution asymétrique des protéines, lipides et glucides associés dans la membrane plasmatique est déterminée lorsque la membrane est construite par le RE et l’appareil de Golgi.

La structure de la membrane et sa perméabilité sélective :

– Une cellule doit échanger des molécules avec son environnement, processus commandé par la membrane plasmique

– Les membranes plasmatiques sont sélectivement perméables et régulent le trafic moléculaire de la cellule

– Des molécules hydrophobes (non polaires tels que des hydrocarbures), peuvent se dissoudre dans la bicouche lipidique et passent rapidement à travers la membrane

– Les molécules polaires tels que les sucres ne traversent pas facilement la membrane

Transport passif: diffusion à travers une membrane sans investissement d’énergie

1) La diffusion est le mouvement des molécules dans l’espace disponible de manière uniforme.

2) Bien que chaque molécule se déplace au hasard, la diffusion d’une population de molécules présente ainsi un mouvement dans un sens

3) A l’équilibre dynamique, de nombreuses molécules traversent d’une manière transversale dans l’autre sens.

Effets de l’osmose sur l’équilibre de l’eau

1) L’osmose est la diffusion de l’eau à travers une membrane sélectivement perméable.

2) L’eau diffuse à travers une membrane de la région de faible concentration en solutés vers la région plus concentrée en solutés.

Le bilan hydrique des cellules sans mur. La tonicité est la capacité d’une solution pour provoquer une cellule à gagner ou à perdre de l’eau.

La solution isotonique: la concentration du soluté est la même entre à l’intérieur et l’extérieur de la cellule, il n’y a donc aucun mouvement net de l’eau à travers la membrane plasmique

Solution hypertonique: la concentration en solutés est plus élevée à l’extérieur de la cellule qu’à l’intérieur; la cellule perd de l’eau

Solution hypotonique: la concentration en solutés est inférieur à celle à l’intérieur de la cellule; gain en eau pour la cellule.

Protéines de transport:

Les protéines de transport permettent le passage de substances hydrophiles à travers la membrane.

Des protéines appelées canaux ont une chaîne hydrophile que certaines molécules ou des ions peuvent utiliser comme un tunnel.

Protéines de canaux appelés Aquaporines facilitent le passage de l’eau.

Les protéines de transport de la diffusion facilitée accélérent le mouvement passif de molécules à travers la membrane plasmique.

Protéines de la Manche fournissent des corridors qui permettent une molécule ou ion spécifique de traverser la membrane

Les aquaporines facilitent la diffusion de l’eau, ce sont des canaux ioniques qui s’ouvrent ou se ferment en réponse à un stimulus (canaux fermée).

Le transport actif utilise l’énergie pour déplacer les solutés contre leurs gradients: Faciliter la diffusion est toujours passive cependant ces protéines de transport peuvent déplacer les solutés contre leur gradient de concentration. Le transport actif déplace les substances contre leur gradient de concentration. Ce transport nécessite de l’énergie généralement sous la forme d’ATP et est effectué par des protéines spécifiques incorporés dans les membranes.

Les pompes à ions maintiennent le potentiel de membrane: le potentiel de membrane est la différence de tension à travers une membrane. La différence de tension est créée par les différences dans les distributions des ions positifs et négatifs.

Deux forces combinées collectivement appelées le gradient électrochimique, entraînent la diffusion des ions à travers une membrane: une force chimique (fonction du gradient de l’ion) et une force électrique (l’effet du potentiel de membrane sur le mouvement de l’ion). Une pompe électrogénique est une protéine de transport qui produit une tension à travers une pompe sodium/potassium qui est la principale pompe électro génique chez les eucaryotes. La principale pompe électrogénique des plantes, des champignons et des bactéries est une pompe à protons.

 

Le transport en vrac par exocytose et endocytose

Les petites molécules et l’eau entrent ou sortent de la cellule à travers la bicouche lipidique ou par des protéines de transport.

Les grosses molécules, telles que les polysaccharides et les protéines, traversent la membrane en vrac par l’intermédiaire de vésicules.

Le transport en vrac nécessite de l’énergie. Dans l’exocytose, des vésicules de transport migrent vers la membrane, fusionnent avec elle et libèrent leur contenu.

Dans l’endocytose la cellule prend des macromolécules pour former des vésicules de la membrane plasmique.

 

Tous les organismes sont constitués de cellules

– La cellule est l’entité la plus simple de la matière qui peut vivre ( se reproduire)

– La structure cellulaire est corrélée à la fonction cellulaire

– Toutes les cellules sont liées entre elles

Les virus ne sont pas considérés comme des cellules parce que leur survie dépend d’autres organismes

Comment pouvons-nous étudier les cellules?

Normalement, les cellules sont trop petits pour être vus à l’œil nu, nous devons utiliser des microscopes et d’autres techniques telles que la biochimie pour les étudier.

Microscope optique: le meilleur grossissement de 1/1000

La qualité de l’image dépend de trois éléments :

1) l’agrandissement: le taux de la taille de l’image de l’objet à sa taille réelle

2) la résolution: la clarté de l’image (la taille minimale visible)

3) le contraste

La microscopie électronique:

Deux types de microscopes électroniques sont utilisés pour étudier les structures subcellulaires :

1) Les microscopes électroniques à balayage : concentration d’un faisceau d’électrons qui aboutissant à la surface d’un échantillon.

2) microscopes électroniques à transmission: Focalisent un faisceau d’électrons à travers un échantillon (TEMS), ce type de microscope électronique est utilisé pour étudier la structure interne des cellules.

La biochimie

– Le fractionnement cellulaire sépare les principaux organites de la cellule et permet aux scientifiques de déterminer les fonctions des organites

– L’ultra centrifugeuse : fractionne les éléments constitutifs de la cellule

La biochimie et la cytologie permettent de corréler la fonction des cellules à leur structure

Les procaryotes et eucaryotes

Les composants basiques de toutes les cellules :

– la membrane plasmatique

– le cytosol

– les chromosomes (portent des gènes)

– les ribosomes (fabriquent des protéines)

L’unité structurelle et fonctionnelle de chaque organisme est l’un des deux types de cellules: procaryote ou eucaryote.

Seuls les organismes telles que les bactéries et les archées sont de organismes procaryotes. Les champignons, les animaux et les plantes sont quant à eux des organismes eucaryotes.

Les cellules procaryotes :

– Pas de noyau
– L’ADN constitue une entité indépendante nommée nucléoïde
– les organites ne sont pas limités par des membranes
– Le cytoplasme est délimité par la membrane plasmique

Les cellules eucaryotes

– L’ADN est un noyau délimité par une enveloppe nucléaire
– Le cytoplasme se situe dans la région entre la membrane plasmique et le noyau
– Les cellules eucaryotes sont généralement beaucoup plus grandes que les cellules procaryotes

Dans le centre du noyau, il y a une région concentrée appelé le nucléole et c’est là que l’ARN ribosomal est formée et traitée; c’est aussi l’endroit où il y a formation d’autres complexes protéiques qui seront ensuite assemblés dans le noyau.

Dans le cytoplasme, on retrouve le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi, les mitochondries ainsi que le centriole qui est la région où a lieu la division cellulaire et nous avons aussi les lysosomes, les péroxysomes et à l’extérieur de la cellule nous pouvons voir des microvillosités de la cellule.

Le noyau

– Le noyau contient la majeure partie des gènes de la cellule.
– Une enveloppe entoure le noyau nucléaire, le séparant ainsi du cytoplasme
– La membrane nucléaire est un double membrane dont chacune est constituée d’un double couche lipidique.
– Les pores membranaires régulent l’entrée et la sortie des molécules du noyau.
– La forme du noyau est maintenue par la lamina nucléaire qui se compose de protéines.

Les ribosomes: usines à protéines

– Les ribosomes sont des particules constitués d’ ARN et de protéines ribosomaux.

– Les ribosomes effectuent la synthèse des protéines dans deux lieux:

dans le cytosol pour (ribosomes libres)

à l’extérieur du réticulum endoplasmique rattaché à la membrane nucléaire (ribosomes membranaires)

Le système endomembranaire régule le trafic des protéines et exécute des fonctions de métabolisme dans la cellule.

Le ribosome est composé d’une grande sous-unité et d’une petite sous-unité. Entre ces deux unités passe l’ARNm qui va être traduite en protéine sortant du ribosome.

Le système endomembranaire régule ainsi le trafic des protéines et exécute la fonction métabolique de la cellule.
Les composants du système endomembranaire sont :
– l’enveloppe nucléaire
– l’endoréticulum plasmatique
– l’appareil de Golgi
– les lysosomes
– les vacuoles
– la membrane plasmique
Ces composants peuvent être des entités indépendantes communiquant via le transfert des vésicules.

Le réticulum endoplasmique

– Le réticulum endoplasmique (RE) représente plus de la moitié de la membrane totale dans la plupart des cellules eucaryotes.
– La membrane du RE est en continuité avec l’enveloppe nucléaire.
– Il existe deux types de RE :
les RE lisse qui n’ont pas de ribosomes
les RE rugueux avec des ribosomes à leur surface

Le RE lisse:
– synthétise les lipides.
– métabolise les glucides
– détoxifie
– emmagasine le calcium

Le RE rugueux:
– a des ribosomes qui secrètent des glycoprotéines (protéines covalente liés aux hydrates de carbone)
– distribue des vésicules de transport de protéines entourées par une membrane
– est une usine de synthèse de la cellule

L’appareil de Golgi

– est constitué de membranes aplaties sacs appelés citernes
– modifie les produits de la Réticulum endoplasmique
– fabrique des macromolécules
– trie et stocke les molécules dans des vésicules de transport

Lysosomes: compartiments digestifs

– Certains types de cellules peuvent engloutir d’autres cellules par phagocytose et former une vacuole alimentaire
– Le lysosome fusionne alors avec la vacuole alimentaire et digère les molécules.
– Les lysosomes utilisent des enzymes pour recycler les cellules et les macromolécules : un processus appelé autophagie.

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Les mitochondries et les chloroplastes
– Les mitochondries sont les sites de la respiration cellulaire : un des processus métabolique qui aboutit à la formation d’ ATP.
– Les chloroplastes trouvés dans les plantes et les algues sont les sites de la photosynthèse.
– Les peroxysomes sont des organites détoxifiantes

Les mitochondries et les chloroplastes

– Ne font pas partie du système de endomembrane
– Ont une double membrane
– Ont des protéines produites par les ribosomes libres.
– Contiennent leur propre ADN

Les mitochondries: conversion de l’énergie chimique
– Les mitochondries sont dans presque toutes les cellules eucaryotes
– Elles ont une membrane extérieure lisse et une membrane interne pliée en crêtes.
– La membrane interne crée deux compartiments: l’espace de la membrane inter membranaire et la matrice mitochondriale.
– Certaines étapes métaboliques de la respiration cellulaire sont catalysées dans la matrice mitochondriale
– Les crêtes présentent une grande surface pour des enzymes qui synthétisent l’ATP
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Chloroplastes: capture de l’énergie lumineuse
– Le chloroplaste est un membre d’une famille d’organites végétaux appelés plastes
– Les chloroplastes contiennent le pigment chlorophylle vert, ainsi que des enzymes et d’autres molécules qui fonctionnent de la photosynthèse

– Les chloroplastes se situent dans les feuilles de plantes vertes et d’algues.

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Peroxysomes: oxydation

– Les peroxysomes sont des compartiments métaboliques liés par une seule membrane
– Les peroxysomes produisent du peroxyde d’hydrogène et le convertissent en eau.
– L’oxygène est utilisé pour briser les différents types de molécules