A savoir TD 1 à 6

TD 1 : STRUCTURES ET FONCTIONS DES MOLÉCULES DU VIVANT
Objectifs de la séance. Notions clé à assimiler
Comprendre comment les propriétés physiques et chimiques des molécules qui constituent les
cellules sont étroitement liées aux structures qu’elles composent et aux fonctions qu’elles
remplissent.
L’un des objectifs majeurs de ce TD est de vous convaincre qu’on ne peut pas comprendre
correctement les processus du monde du vivant sans avoir des notions de base de chimie et de
physique.
1. L’EAU
L’eau : • Est le solvant de la plupart des substances cellulaires
• Est le substrat ou le produit de très nombreuses réactions enzymatiques (ex : synthèse et
dégradation des protéines, synthèse et hydrolyse de l’ATP)
• Interagit avec de nombreuses molécules hydrophiles (littéralement « qui aime l’eau » du fait
de ses propriétés électrostatiques).
La molécule d’eau est polaire. Elle n’est pas biologiquement inerte, elle interagit avec d’autres
molécules chargées ou avec des ions.
2. LES GLUCIDES
cf cours/conférence de Christelle Breton et TD associés, + TD/exposés spécifiques.
Les glucides ont pour synonyme « sucres » ou « hydrates de carbone ». Les glucides ont 4
fonctions principales.
1. source d’énergie fondamentale pour la cellule (glycogène pour les animaux, amidon
dans les cellules végétales).
2. molécules structurales les plus abondantes sur la terre.
3. éléments essentiels des acides nucléiques
4. Les lipides et les protéines contiennent des chaînes latérales glucidiques. La présence
de ces extensions glucidiques modifie leurs propriétés physico-chimiques.
3. LES LIPIDES
La structure, les propriétés et les fonctions des lipides seront abordées dans plus de détails
dans un TD sur les membranes. Voici les notions principales à retenir sur les lipides.
4. LES ACIDES NUCLEIQUES
ADN et ARN sont composés par l’enchaînement de nucléotides. Un nucléotide comprend :
• une base azotée (Adénine, Thymine, Guanosine, Cytosine, Uracile pour l’ARN).
• Un sucre à 5 carbone (ribose)
• Un ou plusieurs groupements phosphates.
ADN et ARN possèdent 2 propriétés fondamentales communes.
• la séquence nucléotidique est spécifique et contient une information codée par la succession
des bases azotées, qui sont complémentaires (A/T, G/C, A/U)
• La chaîne de nucléotides est orientée 5’ 3’
La structure de l’ADN.
L’ADN est une molécule chargée négativement, ce qui est très important pour ses
interactions avec les protéines (qui sont elles aussi chargées).
A l’exception de quelques rares chromosomes viraux, toutes les molécules d’ADN sont
composées de 2 brins anti-parallèles.
Dans le noyau des cellules eucaryotes, l’ADN peut être très condensé (hétérochromatine), ou peu
condensé (euchromatine). Cette différence de condensation est importante car elle module
l’accessibilité de l’ADN à différentes protéines régulatrices ou à des enzymes.
La structure de l’ARN.
A l’exception de quelques ARN viraux, les ARN sont formés d’une seule chaîne nucléotidique. Via
les interactions entre les bases complémentaires (GC, AU) les ARN se replient sur eux-mêmes et
forment des molécules très complexes.
5. LES PROTEINES
❤ Une protéine est une molécule composée d’un ou plusieurs polypeptides, et possédant une
activité biologique. La succession des acides aminés est déterminée par la séquence
nucléotidique des gènes.
❤Ce sont les propriétés de la chaîne latérale des Aa qui sont essentielles dans la structure
et les fonctions des protéines.
Par exemple :
• ❤certaines chaînes latérales sont ionisées à pH physiologique.
• ❤certaines chaînes latérales sont polaires et interagissent avec l’eau. A l’opposé certains Aa
sont hydrophobes et n’interagissent pas avec le solvant aqueux.
• ❤Certaines chaînes latérales sont modifiables. Par exemple, par le greffage d’un groupement
phosphate PO3- (phosphorylation) ou de glucides (glycosylation). L’ensemble de ces
modifications sont appelées modifications post-traductionnelles.
❤ La séquence en Aa détermine à elle seule la structure tridimensionnelle d’une protéine.
TD 2 : MEMBRANES ET PAROIS
❤ Une membrane plasmique est composée d’une bicouche lipidique et de protéines. Les
protéines enchâssées dans la membrane ont des propriétés particulières (elles sont partiellement
ou totalement hydrophobes, c’est-à-dire soluble dans un environnement apolaire, lipidique). Rôle
des lipides : non miscibles à l’eau, ils forment une séparation entre deux phases aqueuses. Les
lipides membranaires sont bipolaires, responsables de l’organisation en bicouche et de la
séparation de 2 milieux aqueux.
❤ Une paroi est une structure protectrice rigide facultative enveloppant une cellule. Cette
structure est en particulier absente chez les animaux.
Nature biochimique : polymères saccharidiques et protéines (paroi pectocellulosique des
végétaux : pectine + cellulose ; peptidoglycane des bactéries) donc les capacités d’échange sont
très différentes par rapport aux membranes : les parois sont en général perméables aux composés
hydrosolubles
La membrane plasmique est au même titre que le matériel génétique et les enzymes du
métabolisme à la base de la définition d’une cellule. C’est elle qui en fait une unité structurale du
vivant.
La compartimentation cellulaire, spécifique des eucaryotes, permet une meilleure efficacité du
fonctionnement cellulaire en délimitant des subdivisions fonctionnelles au sein de la
cellule.
TD 3: LES CELLULES ET LEUR ENVIRONNEMENT : LA COMMUNICATION
INTERCELLULAIRE
❤ la jonction communicante (jonction gap et plasmodesmes des végétaux). Ex : muscle lisse et
cardiaque, synapse électrique de certains neurones, épithélium embryonnaire transmission directe
de certains ions entre cellules adjacentes ;
❤ La communication cellulaire est l'ensemble des mécanismes qui permettent à une cellule, un
tissu et un organisme de recevoir, interpréter et répondre aux signaux émis par d'autres cellules ou
par son environnement. L'émission des messages, leur réception, leur traduction et les réponses
appropriées à ceux-ci nécessitent des molécules informatives, stockées ou non dans des
vésicules spécialisées ; le message porté par ces molécules est décodé au niveau de protéines
récepteurs et traduit par des systèmes intracellulaires, avant d'être transformé en réponse
spécifique de la cellule cible.
❤ Diffusion de molécules chimiques :
o Communication autocrine : le message agit sur la cellule émettrice et sur le groupe de
cellules voisines . Mode de communication principalement utilisé :
- au cours du développement pour permettre à un groupe de cellules identiques et voisines de
prendre la même décision développementale
- dans la réponse cellulaire à la douleur et à l’inflammation par la synthèse de prostaglandines et
leucotriènes :
o Communication paracrine :
le message agit sur des cellules à proximité de la cellule émettrice (c’est le cas des cytokines).
o Communication endocrine lorsque le message passe par le milieu intérieur (système
circulatoire) pour agir sur des cellules particulières situées à distance importante de la cellule
émettrice. La molécule émettrice est une hormone. (Faire trouver des exemples d’hormones :
cellules sécrétrices/cellules réceptrices et insister sur notion de communication à distance)
o Signalisation synaptique
❤ Les mécanismes moléculaires des voies d’activation cellulaire
Il est pratique de décrire les différentes voies d’activation cellulaires en fonction de la
nature de la molécule signal. Elle peut être hydrophobe, ce qui lui permet de passer librement les
membranes. Elle peut être hydrophile ; il y a donc nécessité de l’intervention d’un récepteur
membranaire.
1 Molécule hydrophobe : hormones stéroïdes et thyroïdiennes des vertébrés
• caractéristique commune : franchissement libre de la membrane plasmique
• récepteurs cytoplasmiques ou nucléaires formant la superfamille des récepteurs intracellulaires
aux stéroïdes. Ces récepteurs sont en fait des facteurs de transcription dont l’activité est
modulée par la présence de l’hormone.
Autres molécules de signalisation à diffusion libre à travers les membranes : les gaz (NO chez les
animaux, éthylène chez les végétaux)
2 Molécules hydrophiles
Ces molécules ne peuvent pas traverser librement les membranes et par conséquent, le signal
doit être transduit à l’intérieur de la cellule via un récepteur. La transmission de l’information à
l’intérieur de la cellule se fait sous forme de seconds messagers générés à la suite de l’activité
du récepteur, qui déclenche la réponse biologique.
Il existe 3 catégories principales de récepteurs associés à différents mécanismes de transduction :
les canaux ioniques ligand dépendant et flux ioniques, les récepteurs couplés aux protéines G
trimériques, les récepteurs à activité enzymatique.
TD4 : Structure, stabilité et fonctions des génomes
❤ Un génome est le patrimoine génétique d’un individu, qu’il transmet tout ou en partie à sa
descendance.
❤ Le support du génome est principalement l’ADN (Acide Désoxyribo-Nucléique), parfois l’ARN
(cas de virus à ARN – Acide Ribo-Nucléique)
❤ Localisation du génome : Chez les eucaryotes : dans le noyau, les mitochondries, les
chloroplastes (pour les plantes). Chez les procaryotes : dans le cytoplasme porté par les
chromosomes et les plasmides.
❤ Plasmide : molécule d’ADN circulaire localisée dans le cytoplasme
❤ Mitochondrie : organite intracellulaire provenant vraisemblablement de l’endosymbiose d’une
bactérie ancestrale. C’est le siège du cycle de Krebs, générateur d’énergie sous forme ATP. Les
mitochondries sont quasiment exclusivement héritées de la mère.
❤ Le génome mitochondrial : est le plus souvent sous la forme d’une ou de plusieurs molécules
d’ADN circulaire double brin. Il existe en de nombreuses copies. Il contient peu de gènes qui
codent pour des protéines essentielles aux fonctions de la mitochondrie. Génome TRES variable
qui n’est pas réparé.
❤ Chloroplaste : organite présent dans les cellules chlorophylliennes végétales, issu de
l’endosymbiose d’une cyanobactérie ancestrale. Il est le siège de la photosynthèse
❤ Le génome chloroplastique : chromosome unique circulaire d’ADN double brin. Code pour un
nombre restreint de protéines essentielles aux fonctions du chloroplaste.
❤ Taille des génomes. Très variable. (E.coli 4,6 Mb/ homme : 3000 MB/ Mais 6000Mb)
❤ La stabilité du génome correspond à :
1. la stabilité de la quantité de chromosomes.
2. la stabilité de la quantité d’ADN.
3. la stabilité de la séquence d’ADN.
❤ Les modifications de la séquence d’ADN.
1. Les mutations ponctuelles. Elles modifient 1 ou quelques nucléotides. Elles correspondent
soit en la substitution d’une base par une autre, soit en une insertion/délétion de nucléotides.
Ces mutations peuvent être induites par divers agents extra-cellulaires ou naturelles.
2. Les recombinaisons.
3. Les transpositions : sont le fait de transposons, qui insèrent et déplacent des gènes n’importe
où dans le génome.
❤ Les systèmes de réparation. L'ADN est la seule macromolécule à être réparée par les
cellules. Les cassures de l’ADN sont réparées par les ligases. Les mauvais appariements sont
réparés par l’ADN polymérase. D’autres lésions sont réparées par recombinaison.
❤ Bilan : le devenir d’une mutation.
1. Dans le cas particulier des mutations ponctuelles,
Ces mutations peuvent être reversées, cad annulées par une 2ième mutation ponctuelle.
• la mutation est réparée.
• la mutation n’est pas réparée, mais elle est silencieuse.
• la mutation n’est pas réparée et elle est située dans une région codante ou régulatrice.
- la cellule est au moins diploïde, la copie du gène non muté compense la mutation.
- D’autres facteurs cellulaires et environnementaux sont nécessaires pour que la mutation
entraîne un phénotype.
- la cellule survit mais son fonctionnement est altéré.
- l’altération est toxique et la cellule meurt.
- La mutation provoque la sortie de la cellule du système homéostasique. Elle va avoir un
comportement anormal qui peut être pathologique.
2. Dans le cas des mutations impliquant un grand fragment d’ADN (recombinaisons,
transpositions), il n’existe pas de système de réparation. Mais certaines transpositions sont très
instables et l’ADN inséré est éliminé.
TD5 : Le contrôle de l'expression des gènes
- Importance dans le développement des organismes et en pathologie
QUESTIONS AUXQUELLES VOUS DEVEZ POUVOIR REPONDRE
Pourquoi et comment l’expression des gènes est-elle contrôlée ?
Savoir expliquer le contrôle de l’expression des gènes à travers les exemples traités dans le TD
(l’opéron lactose, gènes homéotiques de la drosophile, p53 et cancer).
DEFINITIONS A CONNAITRE ET A COMPRENDRE
❤ Fonction d’un gène : La fonction d'un gène est la fonction biologique que remplit le ou les
produits qu'il code, c’est-à-dire un ARN fonctionnel ou une protéine.
❤ Un gène est un segment d'ADN ou d'ARN (certains virus) situé à un endroit bien précis (locus)
sur un chromosome et porteur d'une information génétique.
❤ Structure d’un gène eucaryote (voir figure) : (Attention : l’organisation en exons/introns
n’existe que chez les eucaryotes et les archéabactéries)
Un gène eucaryote est composé de plusieurs exons séparés par des régions non codantes, les
introns.
- exon : Les exons correspondent aux séquences nucléotidiques que l'on retrouve au niveau
des ARN matures. Chaque exon code pour une partie de la protéine finale. L'ensemble des
exons représente 2 à 5% du génome humain.
- Intron : "séquence intercalée". Partie du gène située entre deux exons et dont la fonction est
encore inconnue. Ces derniers sont éliminés (excision) lors de la phase d'épissage qui conduit
à l'ARN messager mature.
❤ Transcription (voir figure) : Processus assurant la synthèse d'une molécule d'ARN
complémentaire à une séquence d'ADN. L'enzyme responsable de la transcription est l'ARN
polymérase. Les ARNm sont traduits tels quels chez les procaryotes. Chez les eucaryotes, la
molécule d'ARN directement synthétisée à partir du modèle ADN, ou transcrit primaire reste dans
le noyau et est traitée par un complexe enzymatique qui enlève tous les introns. C'est ce que l'on
appelle l'épissage. L'ARN produit est plus court, passe dans le cytoplasme et devient un ARN
messager (ARNm).
❤ Traduction (voir figure) : Processus permettant la synthèse d'une protéine à partir d'un brin
d'ARNm. L'ARNm est traduit en protéine à partir des acides aminés en présence des ribosomes et
des ARN de transfert (ARNt). L'ARNm est flanqué en 5' et en 3' de séquences régulatrices non
codantes, qui entourent la séquence codant pour la protéine (CDS, CoDing Sequence). Le CDS
résulte de la concaténation des exons. Il est précédé du codon START (code pour une
méthionine) et d'un codon STOP. La protéine correspond à la traduction du CDS.
❤ Promoteur : c'est une courte séquence d'ADN nécessaire à l'initiation de la transcription, le
plus souvent située en amont de la partie transcrite des gènes et sur laquelle vont venir se fixer les
facteurs de transcription. Permet à l'ARN polymérase de repérer à quel endroit elle doit
commencer à transcrire l'ADN en ARN. Les promoteurs existent aussi bien chez les procaryotes
que chez les eucaryotes.
❤ Un facteur de transcription est une protéine qui se fixe sur une région précise de l’ADN, le
promoteur, et qui a pour fonction de contrôler le niveau de transcription d’un gène.
CONCLUSIONS IMPORTANTES A RETENIR :
•L’expression des gènes est contrôlée de façon à ce que le produit du gène soit présent au bon
endroit et au bon moment. Toute dérégulation de ce contrôle induit en règle générale de graves
conséquences sur la survie de l’organisme.
•Il
existe d’autres possibilités de contrôler l’activité d’un produit d’un gène, notamment par
activation des protéines (modifications post-traductionnelles, liaison à un partenaire, translocation
d’un compartiment à un autre de la cellule,...). Ces aspects ne seront pas abordés lors de ce TD,
mais il est important de savoir qu’ils existent.
SCHEMAS A CONNAITRE ET A COMPRENDRE
Structure typique d'un gène codant pour une protéine chez les vertébrés
Légende : UTR Untranslated region, région non traduite
❤ Les différents niveaux de contrôle de l’expression d’un gène eucaryote.
TD 6 : LA DIFFERENCIATION ET MORT CELLULAIRE
❤ La différenciation : Restriction progressive du potentiel développemental et de la spécialisation
croissante d’une fonction qui a lieu pendant le développement de l’embryon et conduit à la
formation de cellules spécialisées, de tissus, d’organes.
❤ Type de cellule différenciée animale
Type cellulaire
tissu
Cellule
musculaire
striée musculaire
squelettique
neurone
nerveux
kératinocytes
épithélial
fibroblaste
conjonctif
macrophage
conjonctif
Cellules glandulaires
En principe épithélial
fonction
caractéristique
Présence de protéines du
cytosquelette actine-myosine
Transmission d’informations
Dendrite et axone (très long)
Revêtement/protection
Présence de kératine
Synthèse
de
matrice Cellule isolée
extracellulaire
Phagocytose + immunitaire
Lysosome contenant des
hydrolases
Secrétion
Vésicules de secrétion
contraction
❤ cellules différenciées végétales : cellules des vaisseaux conducteurs, (transport de la sève),
cellules du parenchyme foliaire (photosynthèse), Stomates (échanges gazeux),…
❤ En conclusion on observe des modifications morphologiques des cellules différenciées
associées à une fonction particulière ⇒ les organes pluricellulaires se répartissent les tâches de
manière à aboutir à la formation d’un organisme cohérent.
La différenciation est régulée par l’activation de gènes codant pour des facteurs protéiques de
transcription. La coordination des mécanismes de différenciation cellulaire est assurée par des
interactions cellules-cellules et par des facteurs solubles, les facteurs de croissance et les
cytokines.
❤ Les cellules souches animales sont des cellules indifférenciées capables d'une part de se
reproduire afin de maintenir un réservoir permanent de leur espèce, d'autre part de donner
naissance à des cellules différenciées. Il en existe quatre types.
1)
Les cellules souches unipotentes ne peuvent former qu'une sorte de cellules
différenciées. Ce sont par exemple les kératinocytes de la peau.
2)
Les cellules souches multipotentes à l'origine de plusieurs types de cellules différenciées.
Les plus connues sont les cellules souches hématopoïétiques de la moelle osseuse, à l'origine
de toutes les cellules sanguines
3)
Les cellules souches pluripotentes. Elles peuvent être issues soit d’un embryon (cellules
souches embryonnaires ES, Embryo Stem cells), soit d’un adulte..
4)
Les cellules souches totipotentes forment l'embryon dans les 4 premiers jours de son
développement. Elles seules sont capables d’engendrer un être humain dans son entier.
❤ Les cellules souches végétales sont appelées cellules méristématiques, et forment les
méristèmes. Ces cellules se divisent sans cesse puis se différencient en organes végétatifs
(feuilles pour le méristème apical situé à l’extrémité de la tige (=APEX) ou racines pour le
méristème racinaire situé à la pointe de la racine), ou en organes reproducteurs (fleurs pour le
méristème floral).
❤ Où et quand les cellules se différencient-elles ?
Chez l’embryon animal : Chez l’embryon, au cours du processus de gastrulation a lieu la
détermination des 3 feuillets embryonnaires (ectoderme, endoderme, et mésoderme) à partir
desquels dériveront tous les progéniteurs des tissus de l’embryon.
Chez l’animal adulte : Un certain nombre de cellules sont renouvelées chez l’adulte, à un rythme
plus ou moins rapide. Ce processus implique la présence persistante de progéniteurs
indifférenciés capable d’être induits en différenciation dans des processus physiologiques (ex :
renouvellement de la peau) ou pathologique : (ex : myopathie de Duchenne).
❤ Nécrose : La nécrose est le plus souvent liée à une situation pathologique. Les cellules qui
meurent perdent leur intégrité membranaire ce qui provoque la libération du contenu
cytoplasmique et provoque une réaction inflammatoire (« nettoyage » des tissus morts par les
macrophages). Lors de la nécrose, les noyaux et les mitochondries des cellules qui meurent
restent intacts.
❤ Apoptose : Il s’agit d’une mort cellulaire physiologique, qui ne perturbe pas l’environnement
immédiat des cellules voisines. Ce processus est hautement régulé et permet l’équilibre entre
prolifération et dégénérescence cellulaire dans les organismes pluricellulaires. C’est une étape
nécessaire au renouvellement des tissus. Il s’agit d’un mécanisme « silencieux » pour l’organisme
(non inflammatoire) qui permet la régulation des populations cellulaires tout en respectant
l’intégrité de l’organisme. Typiquement, les cellules d'organismes multicellulaires
s'autodétruisent lorsque celles-ci ne sont plus utiles, lorsqu'elles sont endommagées ou
lorsqu'elles sont dysfonctionnelles. Les cellules en apoptose possèdent des caractéristiques
morphologiques très particulières :
- condensation cellulaire
- condensation de la chromatine
- clivage de l’ADN nucléaire au niveau des régions inter-nucléosomales
- formation des corps apoptotiques : clivage de la cellule par bourgeonnement , ce qui évite
le relargage du contenu cytoplasmique
- élimination rapide des corps apoptotiques par les cellules phagocytaires
Les principaux effecteurs de l’apoptose sont les caspases. Ce sont des enzymes (cystéines
protéases) responsables de la phase d’exécution de l’apoptose, dont l’activation en cascade
conduit à la destruction de la cellule.
❤ Les deux grandes voies conduisant à la mort cellulaire par apoptose
Les cellules possèdent tous les gènes qui enclenchent le processus de mort ou de survie, mais
c’est son environnement qui « décide » la mort ou la survie.
Il existe deux grandes voies conduisant à l’activation de la mort d’une cellule par apoptose, une
voie impliquant des récepteurs situés sur la membrane plasmique, et une voie dite
« mitochondriale », indépendante des récepteurs de mort.
L’homéostasie des organismes pluricellulaires est maintenue grâce à une balance finement
régulée entre prolifération – différenciation et mort cellulaire apoptotique.