Chapitre II : La nature du vivant

ChapitreII:Lanatureduvivant
SurlaplanèteTerreilexisteunegrandediversitéd’êtresvivants.LaTerres’estforméeil
ya4,5milliardsd’annéesbienavantquelespremiersêtresvivantsapparaissent.
A- L’unitéstructuraleetchimiqueduvivant.
TP/Coursn°4:L’unitéchimiqueduvivant.
L’analyse de ce document nous montre que la matière organique est majoritairement
constituéeàpartirde4élémentschimiques(Oxygène,Carbone,HydrogèneetAzote).On
constateégalementquelamatièreminéraleauneconstitutionplushétérogène.L’océan
est particulièrementricheen Oxygène eten Hydrogène(la molécule constitutiveétant
l’eauH2O).Lacroûteterrestreétantmajoritairementconstituéed’oxygèneetdesilicium
(SiO2:dioxydedesilicium).Ilestassociéàd’autresatomes(Al,Fe,Mg,Ca,Na,K…)pour
former les silicates qui sont les principaux constituants du manteau et de l’écorce
terrestre.
Les êtres vivants sont formés de matière organique possédant la particularité d’être
essentiellement constituée de quatre éléments chimiques (CHON). On sait également
que la matière organique est principalement constituée par quatre types de molécules
(glucides,lipides,protéinesetacidesnucléiques).
Les éléments chimiques entrant dans la composition de la matière vivante sont tous
disponiblessurlaplanèteTerre.
Lacomparaisondelacompositiondesatomesconstitutifsdelamatièrevivanteetcelle
du granite par exemple, permet de mettre en évidence l’originalité de la constitution
chimiquedumondevivant.
Les atomes qui constituent les êtres vivants se retrouvent également dans la matière
nonvivantemaisdansdesproportionsdifférentes.LesatomesC,H,OetNreprésentent
plusde95%delamassedesorganismes.
Les molécules formant le vivant peuvent être classées en 2 types de constituants : les
constituantsminéraux(eauetselsminéraux)etlesconstituantsorganiques.
La molécule la plus abondante chez les êtres vivants est la molécule d’eau. Elle
représente 60% de la masse totale d’un animal et 75% de la masse d’un végétal en
moyenne.
La quantité d’eau est cependant variable d’un organisme à l’autre. Ainsi, les méduses
sontconstituéesàplusde95%d’eaualorsquelesgrainesn’encontiennentque10%...
Exceptél’eau,laquasi-totalitédesmoléculesduvivantsontdesmoléculescarbonées.
Unnombrelimitédemoléculessimplessontàlabasedetouslesêtrevivants.Cesont
lesacidesaminés,lesacidesgrasetlesglucidessimples.
Cesmoléculessimplespeuvents‘associerpourformerdesédificesmoléculairesplus
complexe. Ainsi les protéines, sont de grosses molécules parfois constitués de plus de
300 acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents dans la nature. Une protéine
humaine,uneprotéined’éléphantouuneprotéinevégétaleserontdoncconstituéesà
partirdesmêmesbriquesélémentaires.
L’amidonetleglycogènesontdeuxglucidescomplexes.L’amidonestunemoléculede
réservechezlesvégétaux;leglycogèneestunemoléculederéservechezlesanimauxet
les levures. Ces deux glucides sont formés à partir des mêmes éléments de base : des
moléculesdeglucose.
Lesacidesgrasentrentdanslacompositiondesmembranesplasmiques.Unemembrane
plasmique de cellule humaine ou une membrane plasmique de cellule de levure est
forméedesmêmesacidesgras.
Bilan:
Les êtres vivants sont constitués des mêmes éléments chimiques : C, H O et N pour
l’essentiel.
La molécule la plus importante sur le plan quantitatif est l’eau. Les êtres vivants sont
constitués de molécules organiques. Ce sont les mêmes types de molécules que l’on
retrouvecheztouslesêtresvivants:glucides,lipidesetprotides.
Cetteunitéchimiquedesêtresvivantstémoignedelaparentédesêtresvivants.
B- L’organisationdesêtresvivantsàl’échelledelacellule.
Nous savons qu’à l’échelle macroscopique il est possible de mettre en évidence des
indicesdeparenté.
Problème:Peut-ontrouverdesindicesdeparentéàl’échellemicroscopique?
TP/Coursn°5:L’organisationmicroscopiqueduvivant.
Lamembraneplasmiquedescellulesvégétalesestdoubléed’uneparoidecellulosequi
assureunrôledesoutien.Cetteparoiestlaparoicellulosique.
Lecytoplasmedescellulesvégétalescontientunevacuole.C’estuncompartimentlimité
parunemembranequicontientdel’eauetdiversessubstancesdissoutes.Cettevacuole
peutégalementcontenirdespigmentscolorantlacellule.Ainsileliquidecontenudansla
vacuoledescellulesd’oignonsrougesestcoloréenrouge.Cespigmentssontégalement
àl’originedescouleursvariéesdespétales.
Les feuilles des végétaux sont constituées de cellules chlorophylliennes. Dans le
cytoplasmedecescellules,ontrouvedenombreuxorganitesverts:leschloroplastes.
Ces derniers contiennent un pigment, la chlorophylle qui donne la couleur verte aux
plantes.
Detrèspetitetaille,lesbactériessontdifficilementobservablesaumicroscopeoptique.
LenombredebactériessurTerreestestiméparlesscientifiquesà5.1030.
On les rencontre dans les milieux les plus divers voire dans les milieux extrêmes (Au
fonddesocéans,dansleslacssalés,danslessourcesd’eauchaudes…)
Onlesrencontreaussidansletubedigestifdel’homme(Escherichiacoli)ousursa
peau.Onestimequ’uncmdepeauhumainepeuthébergerdesmilliersdebactériessans
quecelaneposedeproblèmes.
Ontrouveégalementdesbactériesdanslesalimentsquenousconsommonstelsles
yaourts.
TP/Coursn°6:L’unitéstructuraleduvivant.
Bilan:
Tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Certains sont formés d’une seule
cellulealorsqued’autressontconstituésdemilliardsdecellules.
Toutes les cellules possèdent une membrane plasmique contenant du cytoplasme. La
celluleestdoncl’unitéd’organisationdesêtresvivants.
Cetteunitésurleplanstructuraltémoignedeleurparenté.
Ondistinguedeuxtypesdecellules:
- Des cellules qui se caractérisent par l’absence d’organites et notamment
l’absencedenoyau.Lematérielgénétiqueestdanslecytoplasmedelacellule.Ce
type de cellule est qualifié de procaryote. Les bactéries sont des cellules
procaryotes.
- Unautretypedecellulesquisecaractériseparlaprésencedanslecytoplasmede
nombreux organites. Le matériel génétique est contenu dans un organite
spécifique : le noyau. Ce type de cellule est qualifié d’eucaryote. Les cellules
animales,végétalessontdescelluleseucaryotes.
C- Leséchangesdematièreàl’échelledelacellule.
Noussavonsqu’àtouslesêtresvivantsétaientconstituésdecellulesetquecetteunité
sur le plan structural témoignait de leur parenté. La cellule est un espace délimité par
unemembrane.
Problème:Commentseréalisentleséchangesdematièreàl’échelledelacellule?
TP/Coursn°7:Leséchangesdematièreàl’échellecellulaire.
Échangedegaz
Réalisationd’unschémadesynthèseoùtousleséchangesàl’échelledelacelluleseront
résumés:échangededioxygène,glucoseetdedioxydedecarbone.
Bilan:
Cesexpériencesnouspermettentdeconclurequelacelluleréalisedeséchangesavecle
milieuextracellulaire.
Ceséchangessefontàtraverslamembraneplasmique.Ainsi,àl’intérieurdescellules,
desréactionschimiquespermettentdesynthétiserduglycogèneàpartirdesmolécules
deglucoseinitialementprésentesdanslemilieuextracellulaire.
Remarque:Leglycogènepeutégalementêtreutiliséparlacellule.
TP/Coursn°8:Miseenévidencedeséchangesdematièreàl’échellecellulaire.
Bilan:
Leslevuresréalisentdeséchangesgazeuxavecleurenvironnement.Ellesabsorbentdu
dioxygèneetproduisentdudioxydedecarbone.
Aprèsadditiondeglucose,laconsommationdedioxygèneetlaproductiondedioxyde
decarboneaugmententdefaçonimportante.Cephénomèneestlarespiration.
En présence de dioxygène, le glucose est transformé en dioxyde de carbone et en eau.
Cette réaction chimique qui se déroule à l’intérieur des cellules permet d’extraire
l’énergiecontenuedanslesmoléculesorganiquescommeleglucose.
Lescellulessontlesiègedenombreusesréactionschimiques.
Ilyadesréactionsdesynthèse(parexemple,nousavonsvuplusieursglucosesdonnant
du glycogène) et des réactions de destruction (par exemple le glucose transformé en
dioxyde de carbone et eau). L’ensemble de ces réactions est désigné sous le nom de
métabolisme
DM:Lafabricationdubioéthanol.
Bilan:
Quand le milieu ne contient plus d’02, les levures continuent cependant d’utiliser le
glucose pour produire l’énergie nécessaire à leur développement. Elles transforment
alorsceglucoseenCO2etenéthanol.
Ceprocessusestlafermentationalcoolique.
Lemétabolismepeutdoncêtredifférentselonlesconditionsdumilieu.
ChapitreIII
L’ADN,supportdel’informationgénétique
Rappel de Troisième : Le programme génétique c’est-à-dire l’ensemble des
informationsquipermettentlaréalisationdescaractèreshéréditairesestlocalisédans
lenoyaudescellules.
Le noyau des cellules contient des chromosomes visibles au moment de la division
cellulaire.
Ces chromosomes sont essentiellement constitués d’une substance chimique : l’ADN
(acidedésoxyribonucléique).
Au cours de la division cellulaire, l’ADN se compacte formant alors des bâtonnets
visiblesaumicroscope:leschromosomes.
A- L’ADN,unemoléculeuniverselle.
Les chromosomes portent de nombreux gènes correspondant à une portion de
chromosome et donc une portion de molécule d’ADN. Ils correspondent à une unité
d’informationpermettantlaréalisationd’uncaractère.
Problème:Quelleestlastructuredelamoléculed’ADN?
TP/Coursn°9:Lastructuredel’ADN.
L’ADNestconstituédequatretypesdenucléotidesdésignésparleursinitiales:A,T,Cet
G.A/TetG/Csontrespectivementappariés.
L’ADN est constitué de deux brins de nucléotides se faisant face selon cette règle de
complémentarité.
Cesdeuxbrinssontenroulésl’unautourdel’autresousformed’unedoublehélice.
Les chromosomes portent de nombreux gènes correspondant à une portion de
chromosome et donc une portion de molécule d’ADN. Ils correspondent à une unité
d’informationpermettantlaréalisationd’uncaractère.
Exercice:Uneexpériencedetransgénèse.
Conclusion:Leplantdetomatetransgéniqueprésenteuncaractèrenouveau(lacapacité
de produire un insecticide) à la suite de la transgénèse. Le gène introduit est un gène
bactérien et pourtant les informations portées par ce fragment d’ADN ont été lues et
traduitesparlacellulevégétaleduplantdetomate.
Cette expérience démontre que l’ADN est le support universel de l’information
génétique.
Bilan:Lastructuredelamoléculed’ADN.
C’estunemoléculeconstituéededeuxchaînesenrouléesl’uneautourdel’autreformant
unedoublehélice.
Desliaisonschimiques(liaisonsfaiblesdoncfacilesàrompre)unissentlesnucléotides
des deux chaînes. Les chaînes ou brins sont qualifiés de complémentaires car A
(adénine) est toujours apparié avec T (thymine) tandis que C (cytosine) est toujours
appariéavecG(guanine).
Cette universalité de la molécule d’ADN complète les données chimiques, moléculaires
ainsiquelesobservationsréaliséesenmicroscopieoptiqueetélectroniqueauchapitre
précédent.
Cescaractèrespartagéspartouslesêtresvivantstémoignentdeleurparenté.
B- Lanaturedumessageportéparl’ADN.
1- Ungènepeutexistersousdifférentesversions.
Chezl’hommelegèneàl’originedugroupesanguinestpositionnésurleschromosomes
9pourtouslesindividus.
Exercicesurlesgroupessanguins.
Nousavonsdécouvertquelescellulessontlesiègederéactionschimiques.Noussavons,
d’autre part, que les gènes sont des unités d’informations permettant la réalisation de
caractèreshéréditairesparfoisvisibles.
Problématique:Lesréactionschimiquessont-ellescontrôléespardesgènes?
TP/Coursn°10:Métabolismeetprogrammegénétique.
Les colonies se sont formées par division cellulaire à partir d’une cellule initiale (une
cellule en donne 2 puis 2 cellules en donne 4…). Toutes les cellules d’une colonie sont
doncidentiquesentreelles.
DeslevuresdelasoucheAde2sontensemencées.Cescellulessedivisentenformantdes
colonies.Noussavonsqueceslevuresontlaparticularitéd’êtrerouge.
Ilestdoncsurprenantd‘observerdescoloniesblanchesalorsquelescellulesmèresde
cescoloniesétaientrouges.
Lesrésultatsobtenusnesontpasconformesauxrésultatsattendus.
Les consignes insistent sur la nécessité. de travailler en aseptie (utilisation d’alcool,
utilisation d’instruments stériles, travail autour d’un bec bunzen ou électrique) afin
d’éviter la contamination des cultures par d’autres levures qui rendraient les résultats
inexploitables.
Enanalysantlesrésultatsobservéssurledocument,onpeutéliminerleshypothèses1
et3(respectdesrèglesdemanipulation,ensemencementdanslemêmemilieu).
Onconstatequelescoloniesissuesdecellulesprélevéesdansunecolonieblanchesont
égalementblanches.
Cela signifie que la couleur blanche est un caractère héréditaire donc dépendant du
programmegénétique.
L’expérimentateurfaitvarierladuréed’expositionauxUV.
Leparamètremesuréserale%decoloniesblanchesobtenues.
Nous pouvons constater que plus le temps d‘exposition aux UV augmente et plus le
nombredecoloniesblanchesobtenuesestimportant.
Parallèlement, nous pouvons noter que le nombre total de colonies diminue avec
l’augmentationdeladuréed’expositionauxUVcarlescellulessontdétruitesparlesUV.
L’hypothèseformuléeaudépartestdoncvérifiée.
Remarque : La présence de levures blanches après ensemencement de levures de
souches Ade2 s’explique par des mutations spontanées c’est-à-dire qui ne sont pas
induitesparunfacteurextérieur.
Le pigment rouge de la levure a pour origine l’accumulation dans le cytoplasme de la
levure,delamoléculenomméeAIR.
Cette molécule s’accumule dans de cytoplasme car elle n’est pas transformée en
moléculenomméeCAIR.
Pourquoilamolécule«AIR»n’estellepastransforméeenmolécule«CAIR»?
Nouscomprenonsquelamolécule«AIR»esttransforméeenmolécules«CAIR»parla
protéinespécialisée(uneenzyme)symboliséeparlaportiondefromage.
En absence de cette enzyme, la transformation n’a pas lieu, et la molécule AIR
s’accumule ce qui nous amène à nous poser la question suivante : Pourquoi cette
enzymen’existepaschezleslevuresdesouchesAde2?
Cetteenzymen’existepaschezleslevuresdesoucheAde2carcettesouchenepossède
paslaversiondugèneouallèlepermettantsasynthèse.
Nousavonsdémontréquedesversionsdifférentesd’unmêmegènemodifiaitlanature
des réactions chimiques se déroulant dans le cytoplasme des cellules. Le métabolisme
cellulaireestdonccontrôléparleprogrammegénétique.
Bilan:
Les réactions chimiques qui se déroulent dans les cellules sont contrôlées par le
programme génétique. Une mutation d’un gène peut empêcher la synthèse d’une
moléculequivaalorspouvoirs’accumulerdanslacellule.
Il peut également être à l’origine de la mort de la cellule si la molécule à produire est
essentielle.