I- La cellule

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Partie I : LA CELLULE, L’ADN ET L’UNITE DU VIVANT
I-
LA CELLULE
Les problématiques
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Qu’est-ce qu’une cellule ?
Comment sont constituées les cellules ?
Comment expliquer que les caractéristiques cytoplasmiques des cellules soient en rapport avec
leur fonction ?
Comment les cellules (chlorophylliennes et non chlorophylliennes) produisent-elles de la
matière ?
Qu’est-ce qu’une cellule ? La cellule est l’unité minimale constituant tout être vivant. Tous les êtres
vivants sont constitués de cellules.
Quels sont les différents types d’êtres vivants ? Les êtres vivants sont divisés en 2 catégories :
- Les unicellulaires (bactéries, protistes) : constitués d’une seule cellule.
- Les pluricellulaires (animaux, végétaux, champignons) : constitués de plusieurs cellules.
Chez un même pluricellulaire, est-ce que toutes les cellules ont la même fonction ? Il existe des
cellules de nombreuses formes, de toute taille, ayant des rôles très différents. Elles permettent à
l’organisme de réaliser toutes ses fonctions et activités : bouger, digérer, penser, respirer... Par exemple,
chez l’être humain, il y a des cellules musculaires (spécialisées dans les contractions musculaires), des
cellules nerveuses (spécialisés dans la transmission de messages nerveux électriques et chimiques), des
cellules pancréatiques, des globules rouges, des globules blancs...
Mais sont-elles pour autant toutes entièrement différentes ? Non.
Quelles peuvent être leurs points communs ? Elles ont toutes des caractéristiques communes : Une
partie de leur structure et la capacité de se diviser (reproduction du matériel génétique).
A- La cellule et ses constituants
La cellule est constituée d’eau, de sels minéraux et surtout de molécules organiques.
Toute cellule est délimitée par une « barrière », la membrane plasmique. Cette membrane
plasmique entoure le cytoplasme, qui est un liquide gélatineux constitué principalement d’eau, de
sels minéraux.
Toutes les cellules, et donc tous les êtres vivants sont constitués de molécules organiques : les
glucides, les lipides et les protéines (et les acides nucléiques).
Les êtres vivants existent sous 2 formes selon la structure de leurs cellules : les cellules
eucaryotes (avec un noyau contenant l’ADN) et les cellules procaryotes (sans noyau).
« Caryote » signifie « noyau ». Les Eucaryotes sont les animaux, les végétaux, les mycètes et les
protistes. Les Procaryotes sont les bactéries (l’ADN est disséminé dans le cytoplasme).
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1- métabolisme cellulaire
Le métabolisme cellulaire est l’ensemble des réactions chimiques permettant la
transformation de la matière et de l’énergie (synthèse et dégradation de molécules) afin
de réguler le milieu intérieur de la cellule (quantité d’ions…), de permettre la division
cellulaire et de permettre à la cellule de réaliser ses fonctions. Par exemple la fonction
d’une cellule musculaire est de se contracter.
Tous les êtres vivants ont besoin de molécules organiques (Le carbone est l’atome de base
de toutes les molécules organiques. On parle de source de carbone.) afin produire de
l’énergie. L’énergie servira alors aux cellules pour qu’elles réalisent leurs fonctions et
qu’elles entretiennent leur structure principalement en produisant leurs propres molécules
organiques.
Il existe 2 métabolismes permettant aux organismes de se fournir en molécules
organiques : l’autotrophie et l’hétérotrophie.
a) L’autotrophie
Les organismes chlorophylliens (les Végétaux) produisent de nouvelles molécules
organiques en prélevant de la matière minérale (ions, oligoéléments…), en absorbant
du CO2 (il est la source de carbone) et en captant la lumière solaire. On parle
d’autotrophie (= « se nourrir soi-même ») = métabolisme permettant la production de
molécules organiques à partir de matière minérale.
Tous les végétaux sont autotrophes. Ils se servent de l’énergie lumineuse captée par la
chlorophylle (pigment présent dans les chloroplastes) pour réaliser la photosynthèse.
La photosynthèse est l’utilisation de l’énergie lumineuse pour fabriquer des molécules
organiques à partir de matière minérale (CO2).
b) L’hétérotrophie
Les organismes non chlorophylliens doivent prélever des molécules organiques déjà
existantes dans leur environnement, afin de produire de l’énergie. Par exemple, les
herbivores doivent manger des plantes ; les carnivores doivent manger de la viande, les
champignons de la matière en décomposition... C’est leur source de carbone. On parle
alors d’hétérotrophie (= « se nourrir d’autres ») = métabolisme permettant la
production de molécules organiques à partir de molécules organiques préexistantes.
Tous les animaux, les champignons et certains protistes (les protozoaires) sont
hétérotrophes.
Hétérotrophie = Mode de nutrition permettant de produire de nouvelles molécules
organiques en mangeant d’autres organismes ou des résidus organiques.
Les bactéries peuvent être autotrophes ou hétérotrophes. L’autotrophie des bactéries est
particulière car elle se fait sans énergie lumineuse mais à l’aide de soufre et d’ammoniac.
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2- Mécanismes de dégradation des molécules organiques et de production d’énergie
Pour que la cellule puisse fonctionner correctement, elle doit dégrader les molécules
organiques absorbées (hétérotrophie) ou synthétisées (autotrophie). Cette dégradation
permettra la production d’énergie.
Elle peut se faire de 2 manières selon l’organisme :
La respiration cellulaire : A ne pas confondre avec la respiration des êtres vivants. C’est
un mécanisme qui dégrade totalement les molécules organiques (issues de la photosynthèse
pour les autotrophes ou ingérées pour les hétérotrophes) et qui s’accompagne d’échanges
gazeux (dioxygène O2 et dioxyde de carbone CO2). Elle permet la production de molécules
énergétiques : l’ATP (Adénosine TriPhosphate) permettant le bon fonctionnement de la
cellule.
La fermentation : C’est un mécanisme de dégradation partielle des molécules organiques
en l’absence d’oxygène. Il y a aussi libération de CO2 mais pas de consommation de O2.
Elle permet aussi la production d’ATP.
L’ATP servira, entre autres, à la synthèse de protéines par la cellule à partir du matériel
génétique. Ces protéines synthétisées serviront à la cellule (fonctionnement et entretien) ou
seront sécrétées pour servir à d’autres cellules.
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II-
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Le matériel génétique
La structure, l’organisation et les activités métaboliques des cellules, et donc indirectement de
l’organisme, sont sous l’influence de 2 facteurs : l’environnement au sens large du terme
(extérieur de la cellule, influence des cellules entre elles, et l’environnement externe de
l’organisme : température, hygrométrie…) et l’ADN (= Acide DésoxyriboNucléique). C’est un
acide nucléique. C’est le 4ème type de molécules organiques.
1- Structure de l’ADN selon le fonctionnement de la cellule
L’ADN est une très longue molécule situé dans le noyau des eucaryotes ou le cytoplasme des
procaryotes. Il existe sous différentes formes selon les moments dans la vie de la cellule. Il est
diffus quand la cellule réalise ses activités métaboliques, et il est sous forme de chromosome
(= ADN condensé) quand la cellule va se diviser (se reproduit).
2- Nombre de chromosomes
Le nombre de chromosomes est toujours le même d’une cellule à l’autre pour un même
organisme et au sein d’une même espèce. Par exemple, chacune des cellules de chaque être
humain possède 46 chromosomes (sauf les spz et les ovules). Ce nombre varie selon les
espèces.
En fait les chromosomes vont par paire, donc l’être humain a 23 paires de chromosomes. Les
2 chromosomes d’une même paire ont la même taille et les mêmes gènes aux même endroits.
3- Du gène à la protéine
Un gène est une partie du chromosome exprimant au moins un caractère héréditaire. Expliquer
qu’un gène est rarement un caractère. Sauf la langue en U! A partir d’un gène on obtient une
protéine.
Une protéine est une grosse molécule jouant un rôle important pour la structure et le fonctionnement
des cellules. Elles permettent :
- des réactions chimiques dans les cellules : telles que les enzymes
- Le transport : telle que l’hémoglobine qui transporte l’O2
- La communication d’information entre les cellules, les organes : telle que les hormones
(insuline, testostérone, adrénaline...)
- Le maintien de la structure : telles que certaines protéines de la cellule qui maintiennent leur
forme, leur structure...
- Etc...
Le génome est l’ensemble des gènes d’une même espèce.
La structure de la molécule d’ADN a été découverte en 1953 par Watson et Crick (prix Nobel
en 1962). Mais les interrogations sur la façon dont se transmettaient les caractéristiques des
parents à leurs enfants datent de bien plus longtemps. L’un des premiers a formulé une théorie
de l’hérédité (= transmission des caractéristiques d’une génération à l’autre) a été Gregor
Mendel en 1860, à partir d’expériences très connues sur les pois.
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A- L’ADN
[Au microscope électronique, nous pouvons voir l’ADN sous forme d’un long filament très fin
et très long. Chez les êtres humains, pratiquement chacune des cellules contiennent 46
chromosomes soit 1,9 mètres. Les chromosomes sont visibles au microscope optique.]
1- Structure de l’ADN
L’ADN est une grande molécule constituée d’une suite de nucléotides. Chaque nucléotide
est lui-même constitué d'une base azotée (A= adénine, T=thymine, C=cytosine,
G=guanine) ; d'un sucre (le désoxyribose) ; et d’un groupement phosphate.
Faire un schéma simplifié de la structure de la molécule d’ADN
La molécule d’ADN est composée de deux brins disposés en double hélice. Elle a une
forme hélicoïdale.
Ces 2 brins sont liés ensemble par les bases selon une association précise : l’Adénine est
toujours liée à la Thymine, et la Cytosine à la Guanine. On dit que les 2 brins sont
complémentaires.
C’est la suite de bases sur un même brin qui va constituer l’information génétique
[(l’ « alphabet » permettant d’être « lu » par certains éléments de la cellule afin de
produire des protéines.]
2- Les gènes
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Une molécule d’ADN peut être « découpée » en gènes. On estime le nombre de gènes
humains entre 20.000 et 25.000.
Un gène est une suite précise de bases azotées (ATGC) toujours situé au même endroit sur
un chromosome précis au sein d’une même espèce. Expliquez rapidement.
Par exemple, les maladies génétiques [à ne pas confondre avec les maladies
chromosomiques telles que la trisomie 21 ou les maladies congénitales] sont dues à la
transformation d’un ou de plusieurs gènes lors de la formation des cellules sexuelles des
parents de l’individu malade. Elles sont dues à un déficit dans la production ou le
fonctionnement d’une ou de plusieurs protéines.
Par exemple
l’hémophilie est une maladie qui a pour symptôme la non-coagulation du sang. Elle est
due à l’absence de la production d’un facteur de coagulation (une protéine)
la phénylcétonurie est une maladie dont les symptômes sont une arriération mentale. Elle
est due à l’absence d’une enzyme permettant la transformation d’un nutriment essentiel en
un autre (la phénylalanine en tyrosine). Elle peut être soignée par un régime alimentaire
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strict (sans phénylalanine) jusqu’à l’âge d’un développement complet du cerveau (jusqu’à
l’adolescence).
Le daltonisme...
[La plupart des caractères (tq la couleur des cheveux, de la peau, des yeux) sont due à des
protéines et sont donc sous l’influence de plusieurs gènes.]
3- La transgénèse comme preuve de l’universalité de la molécule d’ADN
L’ADN est un des points communs a tous les êtres vivants. Il est constitué des mêmes
éléments chez tous les êtres vivants.
Aujourd’hui nous savons identifier un gène, l’isoler, le multiplier, le transférer d’une
cellule à une autre cellule, et même d’une espèce à une autre. Dans ce dernier cas on parle
de transgénèse. Les organismes transgéniques (ou OGM) : on introduit un ou plusieurs
gènes d’une espèce A dans une espèce B afin que cette dernière possède des gènes de
l’espèce A. Par exemple on peut transférer le gène humain permettant de produire de
l’insuline (= protéine permettant de baisser le taux de sucre dans le sang) dans des
bactéries, afin qu’elles en produisent. L’insuline pourra alors être utilisée par les
diabétiques.
On parle d’universalité de la molécule d’ADN car le fonctionnement à partir de 4 bases est
le même pour une bactérie comme pour un être humain ou un chêne.
B- Division de la cellule
On peut mettre des cellules en culture pour qu’elles se divisent (A partir d’une cellule on en
obtient deux). Chaque cellule nouvellement formée contient une reproduction quasi-identique
du matériel génétique de la cellule d’origine. La cellule de départ est la cellule mère, et les
cellules nouvellement formées sont les cellules filles. Par exemple une cellule-mère humaine
contient 23 paires de chromosomes. Chacune des cellules filles recevra un exemplaire de ces
paires. Les 23 chromosomes se dupliqueront (copie à l’identique) afin de rétablir le nombre de
46 chromosomes par cellule.
Schéma simplifié de la division cellulaire
Cellule-mère
Division
cellules filles duplication de l’ADN
Une cellule a deux manières de se diviser :
- Une cellule en donne deux. C’est un système utilisé par l’organisme pour grandir et
remplacer les cellules abîmées ou mortes. Cela concerne les cellules somatiques (=
toutes les cellules sauf les cellules sexuelles).
- Une cellule en donne 2 puis 4. C’est un système qui permet de produire les gamètes ( =
cellules sexuelles) qui serviront à la reproduction.
[Chez les organismes eucaryotes pluricellulaires : après la fécondation, l’œuf est constitué
d’une seule cellule qui va se diviser en 2, puis en 4, en 8, etc… Chacune des cellules formées a
donc le même matériel génétique que la première cellule. Et donc chez un individu, toutes ses
cellules contiennent le même matériel génétique. Mais au cours du développement, les cellules
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vont se spécialiser et elles n’auront donc pas toutes le même fonctionnement (cellules
musculaires, cellules nerveuses, cellules sécrétrices, etc…).]
C- Variabilité de la molécule d’ADN
1- Les mutations
Si on met en culture des cellules afin qu’elles se divisent sur plusieurs générations
apparaissent alors des modifications dans la suite de bases de l’ADN. Ce sont des
mutations.
Elles se produisent spontanément avec une très faible fréquence. Elles peuvent être aussi
dues à des facteurs environnementaux tq les UV, rayons X, la radioactivité, certaines
substances chimiques… On parle alors d’agents mutagènes.
Pour un organisme ou une cellule, les conséquences d’une mutation sont de 3 types :
- Elle n’a aucune conséquence.
- Elle permet l’apparition de nouveaux caractères.
- Elle perturbe le fonctionnement plus ou moins fortement voir elle entraîne la
mort. Par exemple, les cellules cancéreuses sont des cellules qui ont subi une
mutation.
Si la mutation touche une cellule somatique, elle disparaîtra avec la cellule touchée, avec
ses descendantes ou avec l’individu. Par contre si la mutation touche une cellule sexuelle
engagée dans la fécondation, alors la mutation se trouvera dans toutes les cellules du
nouvel individu et se transmettra d’une génération à l’autre (si l’individu peut se
reproduire).
2- Les allèles
Un même gène peut exister sous différentes versions : les allèles. Par exemple 2 gènes chez
le pois :
- L’un donne la couleur des graines.
- L’autre donne la forme des graines.
Chacun de ces gènes existent avec au moins 2 allèles : pour le gène « couleur », l’allèle
peut être vert ou jaune ; et pour la forme, l’allèle peut être ronde ou ridée. Mais il semble
aujourd’hui que même ces caractères sont sous l’influence d’autres gènes que les deux
présentées ici.
Ce sont les mutations qui permettent l’apparition de nouveaux allèles (cf. les groupes sanguins).
Ainsi à force de mutations (d’apparitions de nouveaux allèles), de nouvelles espèces apparaissent.
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III-
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Diversité et parenté des êtres vivants
Les êtres vivants ont un ensemble de caractéristiques communes : structure et fonctionnement
cellulaire, molécule d’ADN. Ceci est un argument en faveur d’une origine unique et commune à
tous les êtres vivants [ils sont issus d’un même ancêtre commun datant d’il y a quelques 3,5
milliard d’années, qui semble être un unicellulaire proche des procaryotes]. On parle de liens de
parenté.
Les liens de parenté entre les espèces peuvent être déterminés grâce à l’étude de l’organisation
[anatomie-morphologie-biologie cellulaire et moléculaire] et du développement (= ensemble des
mécanismes de formation et de croissance des organismes).
Les êtres vivants peuvent être regroupés en catégories selon leur lien de parenté (proche ou
lointain) et leurs ressemblances. C’est ce qu’on appelle la classification. [Règne-EmbranchementClasse-Ordre-Famille-Genre-Espèce ; exemple : Règne animal, Embranchement des Cordés
(sous-embranchements des Vertébrés), Classe des Mammifères, Ordre des Primates (sous-ordre
des Simiiformes, infra-ordre des Catarrhiniens), Famille des Hominidés, Genre Homo, espèce
sapiens. Chez les Hominidés on trouve aussi l’orang-outang, le gorille et le chimpanzé].
Chaque espèce est désignée par son nom de genre et d’espèce. Par exemple, la hyène est nommée
Crocuta crocuta, le porc est Sus scrofa, l’être humain est Homo sapiens sapiens, le chien est
Canis familiaris.
A partir de critères morphologiques et génétiques, nous pouvons construire des arbres
phylogénétiques montrant les liens de parenté entre les espèces. Ces arbres ont parfois modifiés la
classification.
Donner l’exemple des reptiles et des poissons.
A- Le plan d’organisation des Vertébrés
Le plan d’organisation est l’agencement des différentes parties du corps les unes par rapport aux
autres. Il existe des plans d’organisation communs entre les espèces qui sont des similitudes dans
la structure et l’organisation des différents organes et tissus. Ces similitudes sont des témoins de
liens de parenté entre les espèces.
1- Point communs généraux
Les Vertébrés sont des animaux possédant des vertèbres [colonne vertébrale]. Selon
l’ancienne classification (en fonction de critères de ressemblance), les Vertébrés se
subdivisent en 5 grandes classes : [ ?]
- Les Poissons (ovipares + ovovivipares, branchies, écailles non soudées).
- Les Amphibiens (ovipares, poumons + peau, peau nue).
- Les Reptiles (ovipares, poumons, écailles soudées).
- Les Oiseaux (ovipares, poumons, plumes).
- Les Mammifères (vivipares + allaitement, poumons, poils).
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[Selon la nouvelle classification qui est faite en fonction des liens de parenté :
Tous les Vertébrés ont pour point commun les axes de symétrie et de polarité [axe selon
lequel on peut déterminer des extrémités distinctes] : l’axe antéro-postérieur [un devant et
un arrière], l’axe dorso-ventral et l’axe gauche-droite (symétrie bilatérale).
Les autres points communs des Vertébrés sont :
- Un corps en 3 parties : tête, tronc (thorax et abdomen), queue.
- 4 membres : nageoires ou pattes symétriques 2 à 2.
- Un squelette interne structuré selon le même plan d’organisation [par exemple
les membres postérieurs sont tous constitués de 3 segments osseux ou
cartilagineux : une ceinture pelvienne -bassin- ou équivalent, un fémur ou
équivalent, un tibia et péroné ou équivalent, carpes, métacarpes et phalanges
ou équivalents].
- Un crâne contenant le cerveau.
- Un système nerveux composé d’un cerveau, d’une moelle épinière et de nerfs.
OBSERVATION
OBSERVATION INTERNE
EXTERNE
Côtes
Pattes
Poumons
AXE DE
Reins
SYMETRIE
Droitegauche
Tête
Thorax
Appareil respiratoire
Cœur
Abdomen
Appareil digestif
Appareil reproducteur
Tronc
AXE DE
POLARITE
Antéropostérieur
AXE DE
POLARITE
Dorso-ventral
Queue
Dos
Colonne vertébrale
Reins
Ventre
Appareil digestif
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Similitudes anatomiques
Il existe de nombreuses similitudes dans la structure et le fonctionnement des différents
systèmes (digestif, circulatoire, musculaire, excréteur…) chez les Vertébrés.
L’ensemble des organes respiratoires, digestifs, excréteurs… sont situés dans le tronc.
Certains organes sont paires : les poumons, les reins, les glandes génitales, les glandes
mammaires, les sinus… C’est une continuité de la symétrie bilatérale.
Par exemple, tous les Vertébrés possèdent un SN bien défini :
- Un cerveau situé dans la tête ;
- Une moelle épinière située dorsalement, entourée et protégée par les vertèbres ;
- Un réseau de nerfs partant de la moelle épinière et couvrant l’ensemble du corps.[Certains
nerfs relient directement les organes des sens au cerveau].
Ce type de comparaisons peuvent aussi être faites avec les autres systèmes tels que le système
circulatoire, digestif, excréteur… Il y aura toujours des différences, mais il y aura aussi de
nombreuses similitudes.
B- Plan d’organisation et développement
Le développement est l’ensemble des évènements qui vont permettre la constitution d’un
organisme (mise en place du plan d’organisation d’une espèce). Il va de la cellule-œuf (juste
après la fécondation) jusqu’à la naissance (voir après parfois !). Pour une même espèce, les
modalités du développement embryonnaire sont quasiment invariantes (toujours les mêmes).
Le développement embryonnaire est sous le contrôle des informations génétiques contenues
dans les cellules (les gènes du développement = gènes spécialisés dans le développement) et
de facteurs environnementaux (par exemple effet de l’alcool sur le développement).
1- De la cellule œuf à l’embryon
L’embryogénèse (ou formation de l’embryon) se déroule en 3 étapes continues :
La segmentation : Juste après la fécondation, la cellule-œuf est une seule cellule qui se
divise en 2 cellules, puis en 4, puis en 8, etc… (chaque cellule va contenir l’intégralité
des informations génétiques provenant de la cellule d’origine). On obtient à la fin de
cette phase, une sphère creuse constituée de nombreuses cellules indifférenciées (nonspécialisées). C’est la blastula.
- La gastrulation : les cellules continuent de se diviser, migrent et forment 3 couches =
les 3 feuillets embryonnaires qui sont, chacun, un ensemble de cellules commençant à
se spécialiser. Les 3 feuillets sont : l’endoderme, le mésoderme et l’ectoderme. Pendant
cette migration cellulaire se forme le futur intestin (d’où le nom de gastrulation).A la
fin de cette on obtient la gastrula.
- L’organogénèse : A partir de chacun des feuillets commencent à se former les organes.
Les cellules se spécialisent dans certaines fonctions en exprimant une partie de leur
génome. L’ectoderme donnera l’épiderme et le système nerveux ; le mésoderme
donnera les muscles, l’appareil circulatoire, l’appareil uro-génital et le squelette ;
l’endoderme donnera le tube digestif et l’appareil respiratoire.
Pendant cette phase, les organes se disposent selon l’axe antéro-postérieur. Les axes
sont déterminés par différents facteurs : l’axe antéro-postérieur est déterminé par la
position du noyau dans l’ovule ; l’axe dorso-ventral est déterminé par le point d’entrée
du spz...
Au cours de l’embryogénèse, les cellules «communiquent» entre elles en échangeant des
substances chimiques permettant de s’informer sur leur état et leur position. Ceci aura une
influence sur l’expression du génome de chacune : on parle de coopération cellulaire.
Celle-ci permet de former un fœtus viable avec des organes aux bons endroits.
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