Cours biologie cellulaire Deug SV1

Cours biologie cellulaire
Deug SV1
Introduction
PLAN
Voir sommaire du polycopié
Les enjeux de la
biologie cellulaire (p2)
• Hier, comprendre la cellule
vivante à travers la description de
son organisation, l’identification
de ses molécules constituantes et
l’étude des propriétés de chacune
de ces molécules
• Demain, la nécessaire prise en
compte des environnements
cellulaires et extra_cellulaires, du
quantitatif et du cinétique
• Demain, l’intégration des
données via la modélisation
informatique et la cellule
artificielle ?
Hiérarchie des ultrastructures cellulaires (p3)
Notion de structure et fonction
Et le tableau en bas de la page 3 …
Composition chimique et
liaisons moléculaires (p4)
• Cells are 90% water et liaison H
• Le reste en pourcentage de poids sec est
approximativement:
–
–
–
–
–
50% protéines
15% glucides
15% acides nucléiques
10% lipides
10% autres
 Les biomolécules=macromolécules
• Total approximate composition by
element:
–
–
–
–
60% H
25% O
12% C
5% N
Notion de polarité
• Les molécules symétriques sont
apolaires: répartition homogène des
électrons covalents
-
dioxygène O=O
dihydrogène H-H
Méthane: CH4
Alkyl: CH3-(CH2)n
• Les molécules asymétriques sont
polaires (ou polarisées): répartition
hétérogène des électrons covalents
– H2O: l’atome d’oxygène étant
électronégatif
– R-COOH; R-OH;
R-CHO; RCOR
• Un ion est chargé donc « polaire »
Polarité, liaison
hydrogène et Eau
• Liaison d’interaction électronique de
force faible (---) par rapport à la liaison
covalente ( ).
d+
• Mais nombreuses …
d(ébullition de l’eau à 20°C!!!)
• La plupart des molécules organiques
sont susceptibles d’établir des liaisons H
• Les molécules polaires établissent des
liaisons H avec l’eau = solubilité!
 Hydrophile (Ex:polysaccharides = Polyols!)
• Les molécules apolaires sont
insolubles dans l’eau
 Hydrophobe (Ex: triglycérides = beurre!)
Fonctions organique
et polarité
dd+
dd+
d-
d+
dd+
d-
d- d+
dd+
Les Glucides (p5-6)
• Molécule de base: oses (Aldéhyde
ou cétone + polyol)
Souvent des HEXOSES et Pentoses
cycliques, parfois linéaires
• Macromolécules: polyoses ou
polysaccharides
Diversité des liaisons, linéaires ou
branchés
• Stéréoisomérie
• Fonctions cellulaires: énergie
métabolique (Glc, amidon),
molécule de l’identité cellulaire
(reconnaissance, adhésion, tissu),
structurale (cellulose)
Les Lipides (p7-8)
• Les stéroïdes (cholestérol)
Fonction structurale, hormonale
• Les triglycérides (le beurre)
Ester d’acides gras et du glycérol
Fonction de réserve énergétique
• Les phospholipides
(Phosphatidylcholine = PC)
Ester d’acides gras et du glycérol
+ Phosphatidyl_X
Fonction structurale (membrane)
AMPHIPATIQUE = MICELLE
Stérorides
Progesterone
Triglycerides
Phospholides
• Ester phosphorylique du glycérol
et d’acides gras
P
O
L
A
I
R
E
A
P
O
L
A
I
R
E
d+
d-
H2O
H2O
Les protéines (p9-12)
• Molécule de base: l’acide aminé
pH = 7!
est L ou D
• Classification des 20 AA:
 Polaire = Hydrophile
 non ionique
 ionique
 Apolaire = Hydrophobe
 aliphatique
 cyclique
• La cystéine est impliquée dans les
ponts S=S intra_ et inter_moléculaires
Classification des AA
Peptides et polypeptides
 Liaison peptidique (amide):
d-
d+
La liaison peptidique est polarisée: liaisons H!
Orientation: Nter _AA1_AA2_ … AAn_ Cter
Les protéines:
des structures I à IV
• Structure primaire:
 Enchaînement des AA du polypeptide
• Structure secondaire:
 Repliements dus aux liaisons hydrogènes
intramoléculaires (CO/HN) des
polypeptides en:
Hélice a
Feuillets plissés b
:O
H:
:C
:N
• Structure tertiaire:
 Ponts S=S intra_ ou inter_ moléculaires
 Interactions avec l’environnement
cellulaire: chaperons, modifications
post_traductionelles, etc.
III
IV
• Structure IVre
 Association entre sous-unités protéiques,
apports d’hèmes (ex: Fe), pontages lipidiques
ou glucidiques (Glyco- et lipoprotéines).
NON! La forme, donc la fonction, d’une
protéine n’est pas entièrement déterminée par
sa structure I, càd par l’enchaînement des
acides aminés constitutifs de son polypeptide.
L’environnement …
Complexe protéique
Les acides nucléiques (p13-15)
• Nucléoside =
- Base (cycle azoté) + ribose (ARN)
- Base (cycle azoté) + 2-déoxyribose(ADN)
• Nucléotide = nucléoside + phosphate(s)
 Les bases sont polarisées: liaisons H qui
induisent un appariement des bases
complémentaires:
H
ou
OH
AMP
TMP
2 liaisons H
H ou OH
GMP
3 liaisons H
HH
ou
OH
Dans l’ARN, UMP remplace TMP
CMP
H
ou
OH
H
La numérotation des atomes
chez les nucléotides
Polymérisation des
nucléotides =
Polynucléotides
d(XMP)n + d(XTP) = d(XP)n+1 + PP
Molécule d’ADN = double hélice
formée de deux polynucléotides
antiparallèles et complémentaires
3’
5’
5’
3’
L’appariement (ou hybridation) du aux
liaisons hydrogènes impose la
complémentarité et l’antiparallélisme des
2 chaînes de l’ADN.
La cellule: base de l’unité et de la
diversité du monde vivant (p17)
Théorie cellulaire (1838, Schleidens & Schwann)
et théorie de l’évolution (Darwin)
 Toute forme vivante est faite de cellules
 Toute cellule dérive d’une cellule préexistante
Corrolaire: fin de la génération spontanée et du
créationisme.
Unité et diversité structurale
C’est un volume de cytoplasme entouré par une
membrane cytoplasmique et contenant un noyau
et différentes structures. Mais … différenciation
Unité et diversité fonctionnelle
C’est la plus petite organisation moléculaire qui
possède les propriétés du vivant: (i) croissance, (ii)
multiplication, (iii) métabolisme et contrôle des
échanges. Mais … différenciation
La biologie cellulaire étudie l’organisation
et le fonctionnement de la cellule.
Evolution et tailles des cellules
1,5 Milliards
3,5 Milliards
Procaryotes  Pas d’organites cellulaires, pas de noyau.
Formes de cellules
Cellule animale (schéma)
Centrioles
Cellule végétale (MET)
Le jeu des
7 différences
(p18)
Cellules eucaryotes
METAZOAIRES =Pluricellulaires
• Animale
• Végétale
• Fongique
• Algues
UNICELLULAIRE
• Fongique (levures)
• Protiste
• Algues
Origines de la vie cellulaire
On suppose que la vie existait dès 3,8 Ga, âge des plus anciennes
traces de molécules organiques, et
les premières cellules ayant laissé
des vestiges fossiles sont datées de
- 3,45 Ga (cyanobactéries des Apex
cherts d'Australie occidentale).
Précipités de calcite dus au métabolisme bactérien
La problématique
1.
La théorie de la génération spontanée
est caduque (Pasteur 1860) et Darwin
impose l’idée d’un ancêtre commun de
forme cellulaire simple
2.
La théorie de l’ÉVOLUTION veut que
le premier organisme vivant se soit
développé à partir de la matière
inanimée. Au fur et à mesure qu'il s'est
reproduit, il s'est transformé en des
organismes différents, jusqu'à donner
toutes les formes de vies sur terre.
3.
L'émergence de la vie cellulaire n’a
laissé aucune trace.
On reste dans la théorie …
Mais cela ne vous autorise
Pas à croire à l’impossible !
Origines des
molécules de la vie
Divers schémas réactionnels aboutissent à
la formation de monomères et
polymères biologiques à partir de
précurseurs plus ou moins simples.
Ils postulent que la genèse a eu lieu dans
des environnements extrêmes :
1.
Composants de l’atmosphère primitive
dissous dans l’eau (CH4, NH3, CO2, SH2,
H2) + Photons, électricité = soupe
primitive ou prébiotique où se forme
CHON! (Oparine/Haldane ~ 1890)
2.
Au fond des océans près des sources
hydro-thermales
3. Provenir de l’espace
Les expériences de S.
Miller (1950)
Chimie prébiotique!
Méconnaissance d
Des 1ères macromolécules à LUCA
(Last Universal Common Ancestor)
?
Les protéines sont indispensables pour
la réplication et l'expression de l’ADN
(gènes) … Et L’ADN est nécessaire
pour la biosynthèse des protéines.
La théorie de l’ARN
On suppose qu'un "monde d'ARN", c'est à
dire une vie utilisant les ARN à la fois comme
matériel génétique et comme catalyseurs, a
précédé l'apparition de cellules comportant
de l'ADN et des protéines.
Pour:
• ARN
Catalytiques
• Virus à ARN
Contre:
• « Fragiles »
• Non autoréplicative
Origine endosymbiotique
des eucaryotes (p19)
Cellule animale: bactérie pourpre …
Cellule végétale: bactérie bleue (cyanobactérie) …