Diaporama Prof. Jean-Baptiste Demoulin

Université Catholique de Louvain
Faculté de Médecine
Première année de baccalauréat
Biologie générale
Diaporama
Prof. Jean-Baptiste Demoulin
Définition du vivant
4-Reproduction et
génétique
Organisme capable de croître et de se reproduire
en se maintenant dans un état éloigné de l’équilibre
grâce à un flux continu d’énergie et de matière
fourni par l’environnement
3-Physiologie
cellulaire
constitué d’une ou plusieurs cellules
2-Cytologie
1-Biochimie
Christian de Duve
Taxinomie
science qui vise à nommer et classifier les êtres vivants
1
Première classification
Basée sur l’observation de la nature
Végétaux : autonomie grâce à la photosynthèse
besoins : eau, CO2, sels
immobiles
botanique
Animaux : ingestion d’autres êtres vivants
mobiles (développement des systèmes nerveux, sensoriel et locomoteur)
zoologie
Les mycètes (ou eumycètes, champignons)
Au départ:
classés parmi les végétaux inférieurs, mais mode de vie très différent :
immobiles, pas de photosynthèse : ni animaux, ni végétaux
Eucaryotes vivant par absorption de matière organique obtenue par
décomposition d’organismes morts, symbiose ou parasitisme
Intérêt médical:
Pathologies
mycoses
infections systémiques (rares et graves)
Aspergillus sp
intoxications
Pharmacologie
producteurs d’antibiotiques (pénicillines…)
2
Eucaryotes vs procaryotes
noyau
Cellules végétales
Cellules animales
Bactéries
10-200 μm
10-100 μm
1-8 μm
procaryotes
eucaryotes
Bactéries
Visibles seulement au microscope
Êtres vivants les plus simples
Très nombreuses espèces
Modes de nutrition très variés
3
Les protistes
Groupe hétéroclite d’eucaryotes primitifs aquatiques et unicellulaires
+ quelques pluricellulaires (algues)
Intérêt médical : les protozoaires
ex:
amibes (dysenterie)
plasmodium (malaria)
trypanosomes (maladie du sommeil)
Classification en 5 règnes de Wittaker
PROCARYOTES
EUCARYOTES
Protistes
Mycètes
(champignons)
Monères
Animaux
Végétaux
4
Diversité du vivant : 6 règnes ?
PROCARYOTES
EUCARYOTES
Archéobactéries
Protistes
Bactéries
Animaux
Mycètes
(champignons)
Végétaux
PROCARYOTES
Diversité du vivant : 3 domaines ?
BACTERIES
EUCARYOTES
Protistes
Archéobactéries
= ARCHEES
Animaux
Mycètes
(champignons)
Végétaux
5
Domaines/
Règnes
Pharmacologie
Toxicologie
-
-
-
Bactéries
très nombreux
antibiotiques
botulisme
Escherichia coli
Protistes
protozoaires
(trypanosomes,
plasmodium…)
-
-
Dictyostelium
levures
mycoses
antibiotiques
(pénicilline)
+
intoxications
Saccharomyces
cerevisiae
Végétaux
-
très nombreux
médicaments
+
intoxications
Arabidopsis
thaliana
Animaux
Vers parasites
-
+
abeilles…
Ceanorhabditis
Drosophila
Souris - Homme
Archées
Eumycètes
Organismes
pathogènes
Recherche
Virus: ne sont pas des êtres vivants
Biologie Générale
Introduction
I- Composition chimique du vivant
II- Cytologie
III- Physiologie cellulaire
IV- Reproduction et génétique
6
Ière Partie
Composition chimique des êtres vivants
Chap 1 - Intro : les atomes
Chap 2 - L’eau
Chap 3 - Les composés carbonés
Partie I : Objectifs
• connaître les propriétés physicochimiques des
principaux composés biochimiques
• se familiariser avec leur structure
7
1 - Introduction : les atomes
1 - Introduction : les atomes
Atomes:
O
C
H
N
Ca
P
K
S
Na
Cl
Mg
% du poids total (homme)
oxygène
carbone
hydrogène
azote
calcium
phosphore
potassium
soufre
sodium
chlore
magnésium
65.0
18.5
9.5
3.3
1.5
1.0
0.4
0.3
0.2
0.2
0.1
B, Cr, Cu, Fe, I, Mn, Se, Si, Zn…
96.3%
traces
8
I.1
Les atomes
Atomes:
O
C
H
N
Ca
P
K
S
Na
Cl
Mg
% du poids total (homme)
oxygène
carbone
hydrogène
azote
calcium
phosphore
potassium
soufre
sodium
chlore
magnésium
65.0
18.5
9.5
3.3
1.5
1.0
0.4
0.3
0.2
0.2
0.1
B, Cr, Cu, Fe, I, Mn, Se, Si, Zn…
composés carbonés
± 25%
traces
I.1
Les atomes
Atomes:
O
C
H
N
Ca
P
K
S
Na
Cl
Mg
% du poids total (homme)
oxygène
carbone
hydrogène
azote
calcium
phosphore
potassium
soufre
sodium
chlore
magnésium
O2, CO2, HCO3-
65.0
18.5
9.5
3.3
1.5
1.0
0.4
0.3
0.2
0.2
0.1
B, Cr, Cu, Fe, I, Mn, Se, Si, Zn…
Minéraux, gaz, ions:
N2
Ca++
phosphates
K+
sulfates
Na+
ClMg++
traces
9
2 - L’eau
• rôle essentiel sur terre
• 65-90% de la masse d’un organisme
solvant & réactif
liaison covalente : deux électrons partagés
2 paires d’électrons libres
δ-
O
H
H
angle
104,5°
2 paires d’électrons libres
O
H
H
angle
104,5°
H
O
H
molécule linéaire
géométrie : tétraèdre
10
I.2
L’eau est un solvant polaire
différence d’électronégativité entre O et H:
liaison covalente polaire
-
δ-
O
δ+
H
Hδ+
+
O
δ-
Hδ+
Solubilisation des sels
δ-
δ+
H
δ+
H
δ+
H
δ+
δ-
Hδ+
O
O
H
δ+
δ-
δ-
H
Hδ+
δ+
H
O
Cl-
Na+
δ+
H
O
11
solubilisation des ions (Na+, K+, Cl-…)
et composés polaires hydrophiles
exclusion des composés hydrophobes
graisses
I.2
!!
Pont hydrogène
liaison de faible énergie
entre Hδ+ et une paire électronique libre de l’oxygène
δδ+
O
H
Hδ+
δδ+
O
H
Hδ+
12
Formation d’un réseau qui explique la cohésion de l’eau
δ-
δ-
O
δ+
O
H
δ+
Hδ+
H
δ-
δδ+
O
δ+
O
δ+
H
H
H
Hδ+
δ+
H
δ-
O
δ-
δ-
O
O
I.2
!!
Pont hydrogène et solubilité
δ-
X
δ+
H
δδ+
O
Autres molécules
X = O, N ou S
H
Hδ+
δ-
X
δ+
H
13
I.2
Conséquences de la formation de
ponts hydrogène
cohésion de l’eau
température de fusion/ébullition élevée
(NH3, H2S, HCl, CH4 sont des gaz à 25°)
coexistence glace/eau/vapeur sur Terre
tension superficielle élevée
solubilisation des composés avec lesquels l’eau forme des ponts H
ex : les sucres, certaines protéines
densité de la glace < à celle de l’eau
la structure de la glace est moins compacte
que celle de l’eau
la glace flotte sur l’eau
I.2
pH dans l’eau
H3O+ + OH-
2 H2O
eau pure : [H3O+] = [OH-] = 10-7 M
pH = 7
influencé par composés acides et basiques
estomac
jus de citron
pH 0
1
2
acide
3
urine
4
5
6
sang
7
neutre
8
mer
9
10
11
12
13
14
basique
Les liquides biologiques sont le plus souvent neutres et tamponnés
14
I.2
pH dans l’eau et carbonate
CO2 + H2O
H2CO3
(enzyme)
H2CO3 + H2O
HCO3- + H3O+
HCO 3- + H2O
à pH 7:
CO 3-- + H3O+
pKa = 6.3
pKa = 10.3
Tampon
[hydrogénocarbonate] > [dihydrogénocarbonate] >> [carbonate]
I.2
pH dans l’eau et phosphate
H2PO4- + H3O+
H3PO4 + H2O
H2PO4- + H2O
HPO4- - + H2O
pKa = 2.1
HPO4- - + H3O+
PO4- - - + H3O+
pKa = 7.2
pKa = 12.1
À pH 7 : tampon hydrogénophosphate/dihydrogénophosphate
Phosphate représenté par « Pi » quelque soit le pH
15
I.2
L’eau : résumé
• Solubilisation (composés hydrophiles)
exclusion des composés hydrophobes
•
•
•
•
•
•
Cohésion
Tension superficielle élevée
Chaleur spécifique/de vaporisation élevée
Densité de l’eau > glace
pH
Réactif chimique : hydrolyses
Ière Partie
3- Les composés carbonés
La chimie du carbone
Les glucides
Les lipides
Les protéines
Les acides nucléiques
Les vitamines
Acides organiques
Autres
16
I.3
Composés carbonés
Carbone: tétravalent
Hydrogène: monovalent
H
H
H
C
C
H
C
C
H
H
H
rotation dans l’axe
H
H
Lié à 4 atomes
Liaisons simples
Tétraèdre
H
C
H
H
(méthane)
apolaire
(propane)
I.3
1. Composés carbonés
Double liaison : rigide et plane
H
H
H
H
C
C
H
C
H
C
C
H
C
H
H
(propène)
H
H
H
H
rotation dans l’axe
H
(propane)
17
I.3
Composés carbonés : fonctions chimiques
Carbone: tétravalent
Hydrogène: monovalent
C
Oxygène: divalent
Azote: trivalent (ou tétravalent et chargé +)
Soufre : divalent
OH
C
Fonction alcool
C
NH2
Fonction amine
Basique
chargée positivement à pH 7
SH
Fonction thiol
Acide faible
I.3
Composés carbonés : fonctions chimiques
Fonction acide carboxylique
chargée négativement à pH 7
Fonction amide
H2N
HO
C
O
C
O
H2O
H3O+
O
C
O
majoritaire à pH 7
18
I.3
Composés carbonés : fonctions chimiques
Fonction phosphate
chargée négativement à pH 7
C
OPO3
Représentation:
C
C
O
OPO3H
P
I.3
Composés carbonés : fonctions chimiques
C
H
C
C
O
O
C
Fonction aldéhyde
Fonction cétone
C lié à 3 atomes :
2 Liaisons simples + 1 double
Plan
19
I.3
Etages d’oxydation du carbone
H
C
C
-3
H
H
RE
H
C
C
DU
-1
OH
H
OX
>li YDA
bé
rat TION
ion
d’é
ne
rgi
e!
CT
IO
N
H
C
C
+1
O
C
OH
+3
C
O
+4
CO2
I.3
Etages d’oxydation de l’oxygène
RE
H2O
-2
DU
CT
IO
N
H2O2
OX
YD
AT
IO
N
-1
O2
0
20
I.3
Les Glucides
Glucides = sucres = « hydrates de carbone »
une fonction cétone ou aldéhyde
fonctions alcool
très solubles dans l’eau
Certains composés ont un goût sucré
Cn(H2O)m
Sucres simples = oses = monosaccharides
Osides = polysaccharides
polymères de sucres simples
n=m
n>m
I.3
Les Monosaccharides ou Oses
CnH2nOn
n=3
trioses : C3H6O3
glycéraldéhyde
n=4
tétroses : C4H8O4
n=5
pentoses : C5H10O5
ribose
n=6
hexoses : C6H12O6
glucose, fructose, galactose…
21
hexoses : C6H12O6
une centaine d’isomères différents
suivant la position de la fonction cétone/aldéhyde
la configuration de chaque carbone
aldéhyde
> aldose
cétone
> cétose
D-
forme cyclique du glucose
α
D-glucose
2 isomères:
D-glucose α ou β
22
I.3
Condensation des Monosaccharides
O
O
enzymes
énergie
OH HO
O
O
O
H20
polysaccharide
ou
oside
enzymes
HYDROLYSE
I.3
Disaccharides
glucose + fructose = saccharose
autres ex: glucose + galactose = lactose (5% p/v dans le lait)
glucose + glucose = maltose
23
I.3
!!
Les Polysaccharides formés à partir du glucose
amidon (stockage du glucose, plantes)
O
O
O
α
O
O
n
D-glucose
glycogène (stockage du glucose, animaux)
forme ramifiée de l’amidon
cellulose (paroi cellulaire, plantes)
orientation différente des molécules (glucose β)
les molécules de cellulose forment des fibres rigides
I.3
Les Hétérosides
Holosides : polymères ne contenant que des sucres
Hétérosides :
O
O
O
protéine (glycoprotéines)
ou lipide (glycolipides)
O
n
glucide (parfois très complexe)
cfr groupes sanguins,
protéines membranaires
matrice extracellulaire
24
I.3
Les phospho-glucides
Les glucides sont peu réactionnels
Activation sous forme de dérivés phosphorylés
permet la transformation des glucides
cfr partie « Physiologie »
ex: Glucose-6-phosphate
I.3
Les Lipides
Famille hétérogène de composés carbonés apolaires et hydrophobes
acides gras et dérivés:
triglycérides (huile, graisse)
phospholipides
stéroïdes
cires
25
I.3.Lipides
Acides gras
CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – COOH
Nombre d’atomes de carbone
n = 2 à 24, toujours pair
CH3 – [CH2]n-2 – COOH
grande partie apolaire
liaisons C-C et C-H non polaires
pas d’interaction avec l’eau
fonction acide
Liaisons C-O et O-H polaires
Interaction avec l’eau
notamment par ponts hydrogène
hydrophobe
hydrophile
COOH
Chaînes longues: insoluble dans l’eau
I.3.Lipides
Acides gras
CH3 – [CH2]n-2 – COOH
fonction acide
hydrophile
partie apolaire
hydrophobe
CH3 – [CH2]n-2 – COO
forme ionisée
partiellement soluble dans l’eau
détergent (savon de Marseille)
fonction carboxylate
très hydrophile
26
!!
Acides gras saturés
liaisons simples entre carbones
flexible
Acides gras insaturés
une (ou plusieurs) liaison double
entre carbones :
monoinsaturés
polyinsaturés*
angle rigide
* Certains sont essentiels : ils doivent se trouver dans notre alimentation
I.3
Lipides saponifiables
Triglycérides
Phospholipides
KOH
Sels d’acides gras
= savon
27
I.3.Lipides
Triglycérides
HO-CH2
HO-CH
CH3 – [CH2]n-2 – COOH
glycérol
HO-CH2
3 acides gras
3 H2O
CH3 – [CH2]n-2 – COO – CH2
CH3 – [CH2]n-2 – COO – CH
triglycérides
graisses, huiles
réserve d’énergie / isolant
hydrophobes
CH3 – [CH2]n-2 – COO – CH2
(n=16 ou 18)
Triglycérides
Graisses saturées
solides
graisses animales
(beurre, margarine)
Huiles
végétaux, poissons
liquides
Acides gras mono- et polyinsaturés
Majorité d’acides gras saturés
28
I.3.Lipides
Phospholipides
2 acides gras
glycérol
phosphate (-)
CH3 – [CH2]n-2 – COO – CH2
CH3 – [CH2]n-2 – COO – CH
groupement aminé (+)
CH2-OPO3-R
(n=16 ou 18)
partie hydrophobe
partie hydrophile
(lécithine du jaune d’œuf)
I.3.Lipides
Stéroïdes
Ex: le cholestérol
h
op
ydr
e
hob
fonction alcool
hydrophile
Squelette des stéroïdes:
3 cycles à 6 carbones +
1 cycle à 5 carbone
joints de manière caractéristique
29
I.3.Lipides
Dérivés des stéroïdes
Animaux:
cholestérol
acides biliaires (bile)
hormones stéroïdiennes
hormones sexuelles
cortisone
anabolisants
Végétaux - champignons
pas de cholestérol !
nombreux composés de structure similaire (phytostérols)
ex: LSD
I.3.Lipides
Les glycolipides
Animaux:
sphingosides, cérébrosides
(structure et propriétés semblables aux phospholipides)
5 à 25 % des lipides membranaires
Végétaux
ex: digitoxine (stéroïde + glucide)
de la digitale pourpre
30
I.3.Lipides
Lipides tensioactifs
pôle hydrophobe
pôle hydrophile
interface eau / graisses
graisse
eau
I.3.Lipides
Composés tensioactifs
Ajout de tensioactifs
graisse
émulsion
eau
31
I.3.Lipides
Formation de micelles
eau
graisse
dispersion eau dans graisses
(mayonnaise)
dispersion graisses dans l’eau
(eau de vaisselle)
!!!
Membranes biologiques
bicouche lipidique
eau
eau
CH3 – [CH2]n – COO – CH2
CH3 – [CH2]n – COO – CH
composant principal = phospholipides
CH2
+
OPO3-R
32
!!!
Membranes biologiques animales
bicouche lipidique
eau
eau
phospholipides + cholestérol
+ sphingolipides : structure analogue aux phospholipides
I.3.Lipides
Lipides tensioactifs = amphiphiles
Fortement tensioactifs:
• Acides gras sous forme de carboxylate (chargé négativement) = savons
• Acides biliaires (forme carboxylate)
digestion
• Phospholipides
Faiblement tensioactifs:
• Acides gras sous forme neutre
• Cholestérol
33
I.3
Protéines
protéines = polymères d’acides aminés
fonction amine
(basique)
H2N – CH – COOH
|
R
fonction acide carboxylique
Isomère L
en solution
+
H3N – CH – COO
|
R
Forme majoritaire à pH neutre
I.3.Protéines
!!
Acides aminés
fonction amine +
H3N – CH – COO
|
fonction acide carboxylique
R
20 chaînes latérales R différentes
propriétés chimiques variées:
chargé – neutre
hydrophile – hydrophobe
aromatique
acide - base
34
glycine
fonction amine +
H3N – CH – COO
|
H
cystéine
fonction amine
+
symbole: GLY ou G
fonction acide carboxylique
R=H
symbole: CYS ou C
fonction acide carboxylique
H3N – CH – COO
|
CH2
|
SH
fonction thiol
I.3.Protéines
!
Les 20 acides aminés
On retrouve les mêmes 20 acides aminés dans tous les organismes !
glycine
alanine
valine
leucine
isoleucine
phénylalanine
lysine
arginine
histidine
acide aspartique
acide glutamique
gly
ala
val
leu
ile
phe
lys
arg
his
asp
glu
G
A
V
L
I
F
K
R
H
D
E
tryptophane
proline
cystéine
méthionine
asparagine
glutamine
sérine
thréonine
tyrosine
trp
pro
cys
met
asn
gln
ser
thr
tyr
W
P
C
M
N
Q
S
T
Y
8 acides aminés essentiels pour l’homme
FLIKMWTV
(+ histidine pour les enfants)
35
I.3.Protéines
!!
Formation du lien peptidique
acides aminés
+
H3N – CH – COO
|
R1
+
H 3N – CH – COO
|
R2
H2O
dipeptide
+
H3N – CH – CO - NH – CH – COO
|
|
R1
R2
lien peptidique (fonction amide)
dipeptide
+
acide aminé 3
H3N – CH – CO - NH – CH – COO
|
|
R1
R2
+
H 3N – CH – COO
|
R3
H2O
extrémité N terminale
début
+
H3N – CH – CO - NH – CH – CO - NH – CH – COO
|
|
|
extrémité C terminale
R1
R2
R3
fin
tripeptide
36
+
H 3N – CH – CO - NH – CH – CO - NH – CH – COO
|
|
|
Rn
R1
Ri
n-2
Peptides : petit nombre d’acides aminés (n = 2 à ± 50)
Dipeptide
2
Tripeptide
3
Tétrapeptide
4
…
Décapeptide
10
…
Polypeptides : grands peptides (n = ± 40 à >1000)
I.3.Protéines
Polypeptides
début
+
H3N – CH – CO - NH – CH – CO - NH – CH – COO
|
|
|
R1
Ri
Rn
fin
n-2
propriétés en fonction…
du nombre d’acides aminés n
de la nature des groupements R
de l’ordre des acides aminés
SÉQUENCE des acides aminé
aminés
incroyable diversité… ex: décapeptide: 2010 = 1013 possibilités
>30 000 protéines humaines différentes
37
I.3.Protéines
!!
Séquence d’un polypeptide
début
+
H3N – CH – CO - NH – CH – CO - NH – CH – CO - NH – CH –… COO
|
|
|
|
H
CH2
CH2
CH3
|
|
CH2
|
S - CH3
Méthionine – glycine – alanine – tyrosine…
fin
|
OH
Met-Gly-Ala-Tyr…
MGAY…
structure primaire
I.3.Protéines
Structure secondaire des polypeptides
Hélice α
Feuillet β
structure stabilisée par ponts hydrogène
un même polypeptide peut contenir des zones α et β
38
I.3.Protéines
Structure tertiaire des polypeptides
Détermine la conformation d’un polypeptide dasn l’espace
Interaction entre acides aminés >> repliement de la chaîne polypeptidique
I.3.Protéines
Pont disulfure
-NH – CH – CO|
CH2
|
2 cystéines
SH
-NH – CH – CO|
CH2
|
S
pont disulfure
SH
|
CH2
|
-CO – CH – NH -
oxydation
S
|
CH2
|
-CO– CH – NH-
39
I.3.Protéines
Structure quaternaire des protéines
Association de plusieurs polypeptides en un complexe polypeptidique
Unité fonctionnelle
Mêmes types d’interactions que dans la structure tertiaire
ponts hydrogène
interactions entre acides aminés de charges opposées
interactions entre acides aminés hydrophobes
ponts disulfure
40
I.3.Protéines
!!
Résumé : Structure des protéines
Structure primaire
séquence d’acides aminés
secondaire
forme tridimentionnelle
tertiaire
quaternaire
association de plusieurs polypeptides
ൺ protéine
perte de la structure tertiaire = dénaturation
ൺ Perte de fonction
I.3.Protéines
Quelques modifications covalentes des protéines
Pont disulfure
structure & fonction
Phosphorylation (phosphoprotéines)
régulation
Glycosylation (glycoprotéines)
localisation
glycocalyx de la surface cellulaire
Couplage à des lipides (lipoprotéines)
(acides gras)
ancrage membranaire
41
I.3.Protéines
Groupes prosthétiques
Partie non peptidique d’une protéine qui est nécessaire à sa fonction :
ex:
atome métallique : fer, zinc
hème : hémoglobine
I.3.Protéines
Solubilité des protéines
Dépend des chaînes latérales
Chargés à pH neutre:
Liaisons ioniques et ponts H
lysine
lys
K
arginine
arg
R
acide aspartique asp
D
acide glutamique glu
E
Hydrophiles:
Ponts H
asparagine
glutamine
sérine
thréonine
asn
gln
ser
thr
N
Q
S
T
Hydrophobes:
Liaisons de van des Waals
tryptophane
méthionine
alanine
valine
leucine
isoleucine
phénylalanine
Proline
trp
met
ala
val
leu
ile
phe
pro
W
M
A
V
L
I
F
P
42
I.3.Protéines
Solubilité des protéines
Dépend des chaînes latérales dirigées vers l’extérieur
R
H2O
ions
Protéines solubles dans l’eau:
Chaînes hydrophiles vers l’extérieur
Chaînes hydrophobes vers l’intérieur
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
H2O
H2O
R
R
ions
Protéines hydrophobes:
Chaînes hydrophobes vers l’extérieur
Solubles dans les membranes lipidiques
I.3.Protéines
Fonction des protéines
base de toutes les fonctions vitales
Protéines de structure
ex:
collagène, actine
Enzymes
Transporteurs
hémoglobine
Certaines hormones
insuline, hormone de croissance
Anticorps
…
43
I.3.Protéines
Les anticorps
Anticorps =
Immunoglobuline
Partie variable
Antigène
Partie constante
I.3.Protéines
Les immunoglobulines: un complexe quaternaire
4 polypeptides
2 chaînes lourdes identiques
2 chaînes légères identiques
150 kDa
44
I.3.Protéines
!!
Les immunoglobulines: complexe quaternaire
chaînes lourdes
chaîne légère
chaîne légère
ponts disulfures
polysaccharide
I.3
!
Acides nucléiques
Présents principalement dans le noyau cellulaire
Polymères de nucléotides (jusqu’à 100 000 000 unités !!)
Très solubles dans l’eau
OH
O
phosphate
P
O
O
base azotée
5’
CH2
O
1’
4’
H
H
3’
OH
H
2’
OH
H
H
sucre: ribose >> acide ribonucléique
ou désoxyribose >> acide désoxyribonucléique
45
OH
O
phosphate
P
O
O
5’
base azotée
CH2
O
1’
4’
ribose
H
H
H
3’
2’
H
OH
O
condensation
O
phosphate
P
O
O
base azotée
5’ CH
O
2
1’
4’
ribose
H
H
H
H
3’
OH
2’
OH
I.3
Bases des nucléotides
structure cyclique aromatique plane
bases puriques
bases pyrimidiques
R
R
N
N
H ou CH3
N
H
R
N
N
ribose
adénine A
guanine G
o
N
H
ribose
thymine T (ADN)/ uracile U (ARN)
cytosine C
46
I.3
OH
O
phosphate
P
O
O
base azotée
5’
CH2
O
1’
4’
H
H
H
3’
2’
OH
H
OH
Base
Nucléoside
Nucléotide (NMP, NDP, NTP)
Adénine
Guanine
Uracile
Cytosine
Adénosine
Guanosine
Uridine
Cytidine
Adénosine monophosphate (AMP)
Guanosine monophosphate (GMP)
Uridine monophosphate (UMP)
Cytidine monophosphate (CMP)
I.3
OH
O
phosphate
P
O
O
base azotée
5’
CH2
O
1’
4’
H
H
H
3’
OH
2’
H
H
Base
Désoxynucléotide (dNMP, dNDP, dNTP)
Adénine
Guanine
Thymine
Cytosine
Désoxyadénosine monophosphate (dAMP)
Désoxyguanosine monophosphate (dGMP)
Désoxythymidine monophosphate (dTMP)
Désoxycytidine monophosphate (dCMP)
47
Début
phosphate
Carbone 5’
orientation:
P
G
sens de synthèse
phosphate >> ribose
5’ >> 3’
P
A
P
C
P
séquence:
C
GACCT
P
Fin
ribose
Carbone 3’
T
I.3
!!
Appariement des bases
N
bases puriques
N
N
N
N
N
Adénine
Guanine
bases pyrimidiques
ogène
ponts hydr
Thymine ou Uracile
Cytosine
48
ADN
[A] + [G] = [C] + [T]
P
séquence
complémentaire:
C
G
P
AGGTC
P
T
A
P
P
G
C
P
P
G
C
P
séquence:
GACCT
P
A
P
T
49
I.3
La double hélice d’ADN
Watson et Crick, 1953
I.3
!!!
La chromatine
L’ADN s’enroule autour de protéines appelées histones
Histone H1
(eucaryotes)
Nucléosome : ADN (1,65 tours)
+ 2 x 4 histones : H2A
H2B
H3
H4
Chromatine
fibre de Ø ±30 nm
50
I.3
ARN et ADN
OH
!!!
O
P
O
O
5
base azotée
CH2
O
1
4
H
H
3
OH
H
2
H
OH (ribose)
H (désoxyribose)
Acide ribon
ibonuclé
ucléique - ARN
sucre…
ribose
bases…
A, G, C, U
stabilité…
faible (fragile)
longueur …
80 – 10000 nucléotides
structure…
monocaténaire
fonction…
synthèse des protéines
Acide désoxyribon
soxyribonuclé
ucléique - ADN
désoxyribose
A, G, C, T
élevée
104 – 108
bicaténaire
génome
I.3
ADN humain : notre génome
± 3,2 milliards de paires de bases (soit 0,9 m d’ADN au total)
séquence connue à 80%, identique à 99% entre individus
divisé en molécules d’ADN différentes (chromosomes)
en double dans la plupart des cellules somatiques de l’organisme
1,8 m d’ADN au total
divisés en 46 molécules d’ADN
51
I.3
Vitamines
composés organiques essentiels pour l’homme
présents en petites quantités
hydrophiles
lipophiles
cfr classe des lipides
ADEK
BC
I.3
Vitamines hydrosolubles
B1
B2
B3
B4
B5
B6
B8
B9
B12
thiamine
riboflavine
niacine, nicotinamide (= vit PP)
adénine*
acide pantothénique
pyridoxine
biotine
acide folique
cobalamine
cofacteurs nécessaires à l’action de certaines enzymes du métabolisme
présents en quantités variables dans tous les êtres vivants
C
acide ascorbique (antioxydant)
*la vit B4 n’est plus considérée comme une vitamine
52
I.3
Vitamines liposolubles
A
D
E
K
rétinol
calciférol
tocophérol
vision, hormone
hormone
antioxydant
coagulation
rôles spécifiques pour certaines espèces
I.3
Acides organiques
HO
O
C
O
C
O
forme principale à pH 7
ex: acide citrique
COOH
|
CH2
|
HOOC-CH
|
CH2
|
COOH
acide lactique
COOH
|
CH-OH
|
CH3
53
IIe Partie
Cytologie
L’unité de base du vivant : la cellule
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Introduction
La membrane plasmique
Le cytoplasme
Les organites
Le noyau
Paroi et matrice extracellulaire
Contacts et communication entre cellules
Division cellulaire
Mort cellulaire programmée
II.1
Découverte de la cellule
Robert Hooke (1665): cellules « vides »
coupes de liège
II.1
Microscopie optique
Grossissement:
jusqu’ à 1000 X
coloration à l’hématoxyline
(racine de Jacinthe)
noyau
II.1
Eucaryotes vs procaryotes
noyau
Cellules végétales
Cellules animales
Bactéries
10-200 μM
10-100 μM
1-8 μM
eucaryotes
procaryotes
II.1
Microscopie électronique
Un faisceau d’électron remplace la lumière
Grossissement: jusqu’ à 100 000 X
II.1
Structure des procaryotes
vue au microscope électronique
bactérie Escherichia Coli
1 μm
microscope à balayage
microscope à transmission
II.1
!
La cellule procaryote (bactérie)
membrane plasmique
paroi
cytoplasme
ADN
ribosomes
flagelle bactérien
(en option)
pilus
1 – 8 μm
II.1
Structure des eucaryotes
vue au microscope électronique
NOYAU
ORGANITES
II.
Le Fractionnement cellulaire
> Séparation des organites pour en étudier les propriétés
II.1
!!
La cellule eucaryote animale
centrioles
membrane plasmique
noyau
cytosol
ribosomes
lysosomes,
peroxysomes,
exosomes &
endosomes
mitochondrie
Golgi
réticulum endoplasmique
cytosquelette
10 – 100 μm
(en option: cils, flagelles)
II.1
La cellule eucaryote végétale
paroi
noyau
cytosol
membrane plasmique
ribosomes
lysosomes,
peroxysomes,
exosomes &
endosomes
vacuole
mitochondrie
Golgi
réticulum endoplasmique
chloroplaste
cytosquelette
2- la Membrane plasmique
10 – 200 μm
pas de centriole
!!
milieu extracellulaire
bicouche lipidique
PROTEINES
MEMBRANAIRES
cytosol
Phospholipides + cholestérol
Membranes animales
milieu extracellulaire
GLYCOCALYX
!!
bicouche lipidique
Protéines
cytosol
II.2
Résumé : la Membrane plasmique (animaux)
LIPIDES (phospholipides, cholestérol)
bicouche imperméable élastique
PROTEINES ancrées dans la membrane par un domaine hydrophobe
ou un groupement lipidique (lipoprotéine)
transport transmembranaire
récepteurs
enzymes
ancrage cellulaire
…
GLUCIDES
couplés de façon covalente aux protéines et lipides
sur la face externe de la membrane plasmique
forment le glycocalyx
couche protectrice
reconnaissance cellulaire / adhérence
II.
3- Le cytoplasme
GEL colloïdal = CYTOSOL, contenant:
• de l’eau (± 80 %)
• des ions en solution:
[K+] 130 mM
[Na+] 5 mM
[Ca++] variable
phosphate, bicarbonate
Tampon de pH neutre
• des composés organiques (sucres, lipides…)
• ARN
• des protéines (± 15 %)
enzymes
cytosquelette
ribosomes
II.3
Les ribosomes
Visible seulement en microscopie électronique
Fonction : Synthèse des protéines
Sous-unité 60S
ARN ribosomal + protéines
Sous-unité 40S
NB: bactéries: plus petits (30S + 50S)
II.3
!
Le cytosquelette
assemblage de protéines en filaments
• charpente/squelette de la cellule ( forme)
• impliqué dans les mouvements intracellulaires (organites…)
et les mouvements des cellules
• contraction musculaire
• dynamique: allongement ou rétrécissement
par ajout de sous-unités aux extrémités
• particulièrement important dans les cellules animales
3 types: microfilaments
microtubules
filaments intermédiaires
Filaments intermédiaires
Cables de protéines fibreuses
ex: cytokératines
• mouvement / forme cellulaire
Fluorescence verte = filaments
Fluo rouge = noyau
10 nm
• rôles spécifiques:
formation de la lamina nucléaire
Microfilaments
ex: actine
• mouvement / forme cellulaire
• rôles spécifiques:
contraction musculaire
charpente des microvillosités (actine)
filaments d’actine
!!
Microtubules
tubuline
Filament creux
section dans un faisceau de microtubules (m. él.)
• mouvement / forme cellulaire
• rôles spécifiques:
fuseau mitotique et transport des organites
charpente des cils et flagelles
cil de paramécie
(propulsion)
vue en coupe
(micr. électronique)
cil de cellule de la trachée
(expulsion des particules)
II.
!!!
4- Les organites
entités spécialisées séparées du cytosol par…
…une membrane
lysosomes,
peroxysomes,
exosomes &
endosomes
…deux membranes
mitochondrie
Plantes:
chloroplastes
Golgi
réticulum endoplasmique
II.4.organites
Le réticulum endoplasmique
réseau de tubes et
RE lisse
synthèse du cholestérol
& des phospholipides
de citernes interconnectés
RE rugueux
associé à des ribosomes
synthèse des protéines membranaires,
exportées & sécrétées
production des membranes cellulaires
II.4.organites
L’appareil de Golgi
II.4.organites
L’appareil de Golgi
L’appareil de Golgi : le centre de tri de la cellule
protéines en provenance du RER (par la face cis)
Glycosylation (sur certaines asparagines)
tri
Retour au RE
formation de vésicules (face trans)
Lysosomes
membrane plasmique
sécrétion (exocytose)
exocytose
sécrétion de protéines
vésicule sécrétoire
cytosol
organite
membrane plasmique
Golgi
réticulum endoplasmique rugueux
II.4
L’endocytose
lysosome
(enzymes digestives)
endosome
phagocytose (solide)
cytosol
digestion
membrane plasmique
pinocytose (liquide)
endocytose via un récepteur
Cfr III.3 nutrition
II.4.organites
Les lysosomes
pH acide ( 5)
contiennent des enzymes digestives
¾
digestion des composés endocytés
¾
recyclage des organites cellulaires
¾
destruction des bactéries par certaines cellules immunitaires
(macrophages)
découverts à l’UCL par Christian de Duve, prix Nobel 1974
le dysfonctionnement des lysosomes est responsable de
maladies neurologiques graves
certaines vacuoles jouent le rôle de lysosomes chez les plantes
150 – 300 nm
II.4.organites
Les peroxysomes
réactions enzymatiques d’oxydoréduction
ex: catalase:
2 H20 + O2
2 H2O2
0,5 – 1,5 μm
II.4.organites
Les mitochondries
double membrane
surface de la membrane interne >> externe
délimite un espace intermembranaire
et une matrice mitochondriale
0,5 – 2 μm
Les mitochondries (suite)
matrice mitochondriale
Matrice:
contient une petite quantité d’ADN
quelques ribosomes
espace intermembranaire
.
roles:
synthèse de quelques protéines
cycle de Krebs et réactions d’oxydation (lipides…)
.
.
.
Membranes interne et externe:
Contiennent peu de cholestérol et de sphingolipides
roles:
centrale énergétique de la cellule
chaîne de transport des électrons (respiration cellulaire)
(cytosol)
La division des mitochondries
.
.
.
.
..
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
Cfr division des procaryotes
II.4.organites
Les chloroplastes
double membrane
+ thylakoïdes : sacs aplatis empilés en grana
photosynthèse:
absorption de CO2 et de lumière
pour produire des sucres et de l’oxygène
ADN, enzymes, chlorophylle
granum
0,5 – 2 μm
thylakoïdes
II.
!!!
5- Le noyau
nucléoplasme (matrice)
contenant la chromatine (ADN + protéines)
synthèse d’ARN messager
nucléole:
synthèse des ribosomes
(cytosol)
enveloppe nucléaire
percée de pores
issue du RE rugueux
5 μm
chromatine : euchromatine
hétérochromatine
enveloppe nucléaire
nucléole
RE rugueux
5-10 μm
!!!
noyau
cytoplasme
(coupe transversale dans l’enveloppe nucléaire)
ribosome
membrane externe
membrane interne
lamina
filaments intermédiaires
pore
!!!
Le pore nucléaire
Rôle:
contrôle du trafic de macromolécules entre noyau et cytoplasme
(ARN, protéines)
laisse passer librement les petites molécules (nucléotides, ions…)
Complexe protéique
du pore
Membrane externe
Cytosol
Enveloppe
nucléaire
Noyau
Membrane interne
Panier
lamina
!!!
Le pore nucléaire
Rôle:
contrôle du trafic de macromolécules entre noyau et cytoplasme
(ARN, protéines)
laisse passer librement les petites molécules (nucléotides, ions…)
Vue du noyau
Coupe transversale
II.
6- Espaces extracellulaires
Très grande variabilité entre règnes !
PAROI
Bactéries
Végétaux
+ certains protistes et Champignons
MATRICE EXTRACELLULAIRE
Animaux vertébrés
II.6
Paroi cellulaire
fragilité de la membrane plasmique
couche continue de protection et de soutien
Bactéries
Cellule végétale
Cellule animale
paroi
(paroi absente)
PAROI PRIMAIRE (> 200 nm) :
lamelle mitoyenne de pectine
fibrilles rigides de cellulose
matrice (gel de polysaccharides)
additions secondaires:
plus de cellulose
minéraux (SiO2, CaCO3)
lignine (bois)
imperméabilisant (ex: cire)
peut s’épaissir considérablement
(jusqu’à qq μm)
membranes plasmiques
± 8 nm
Communications entre cellules végétales : les plasmodesmes
cellule 1
paroi
cellule 2
réticulum endoplasmique lisse
membrane plasmique
continuité entre cytoplasmes et RE de cellules voisines
Rôles de la paroi des cellules végétales
SOUTIEN
squelette rigide de la plante
COHESION
colle les cellules entre-elles
PROTECTION de la plante (paroi des cellules épidermiques)
EQUILIBRE HYDRIQUE
effet « buvard » : contient eau, sels et nutriments
résistance des cellules en milieu hypotonique
(cfr partie Physiologie)
II.6
Espaces entre cellules animales
• pas de paroi continue autour des cellules !
• cellules animales accolées par des protéines de jonctions
ou séparées par une matrice extracellulaire
(glycoprotéines)
II.6
Matrice extracellulaire
fibres de collagène
Gel
cellule
Composition de la matrice extracellulaire
GLYCOPROTEINES
fibres
collagène (50% des protéines humaines)
fibronectine
élastine
…
PROTEOGLYCANS
solubles dans le liquide extracellulaire >> gel
glucides modifiés (95%) liés à des protéines (5%)
milieu extracellulaire
(gel)
fibres de collagène
protéoglycans
fibronectine
ou laminine
intégrines
cytosquelette
cytoplasme
Rôles de la matrice extracellulaire animale
COHESION
colle les cellules entre-elles pour former des tissus
SOUTIEN
normalement élastique
mais peut être rigidifiée (os, cartilage)
guide la MIGRATION des cellules
(cicatrisation, cellules immunitaires…)
baigne dans le liquide extracellulaire (nutriments, ions, eau)
Bactéries
paroi continue
Plantes
Animaux
vertébrés
paroi continue
matrice
extracellulaire
discontinue
(sauf plasmodesmes)
COMPOSITION
polysaccharides
cellulose
peptidoglycan
glycoprotéines
(collagène)
protéoglycans
protection
soutien, cohésion
passage des nutriments
ROLES
adhérence
migration
cellulaire
forme cellulaire
résistance en milieu hypotonique
(rigide !)
(souple)
II.
7- Contacts et communications entre cellules
Contacts directs… permanents:
transitoires:
jonctions (animaux)
plasmodesmes (végétaux)
récepteurs (échange d’information)
adhésion (contact)
Communication via un messager soluble
hormones, cytokines et récepteurs
II.7.communications
Contacts directs
cellule 2
cellule 1
via des protéines transmembranaires
(identiques ou différentes)
II.7.communications
JONCTIONS entre cellules
membrane plasmique
jonction
serrée
jonction
adhérente
desmosomes
jonction
d’échange
cellule 1
cellule 2
membrane plasmique
jonction
serrée
ceinture étanche (« tight junction »)
jonction
adhérente
actine
filaments
intermédiaires
attache les cellules entre elles
liaison au cytosquelette
desmosomes
jonction
d’échange
membrane plasmique
jonction
serrée
jonction
adhérente
desmosomes
jonction
d’échange
canal intercellulaire protéique
= jonction communicante (« gap junction »)
cellule 1
cellule 2
ions
glucoses
acides aminés…
<1000 Da
jonction d’échange (animaux)
cellule 1
cellule 2
plasmodesme (plantes)
structure taille échanges μm
paroi
nm
passage de petites molécules uniquement
cellule 2
cellule 1
passage de tubules du RE !
protéines…
II.7.communications
Contacts transitoires
cellule 1
cellule 2
reconnaissance spécifique entre deux protéines membranaires
rôle:
- arrimage d’une cellule à une autre (adhérence)
- communication d’un « message » d’une cellule à l’autre :
stimulation, mort, migration…
II.7.communications
Communication via un facteur soluble
hormone
circulation sanguine
cytokine et autres messagers
autocrine
action sur cellules voisines
(paracrine)
action à distance
(endocrine)
II.7.communications
Messagers intercellulaires
structures variées: protéine, peptide, petites molécules, stéroïdes…
concentrations actives très faibles, souvent picomolaires
Hormones :
production à distance, par des cellules spécialisées
ex: animaux: insuline, hormone de croissance, cortisol…
plantes : auxines
Messagers intercellulaires:
intercellulaires
production locale, tous les types cellulaires en produisent
2 exemples :
- Cytokines : protéines
- Prostaglandines : lipides dérivés de l’acide arachidonique
Neurotransmetteurs:
Neurotransmetteurs: libé
libérés dans une synapse
II.7.communications
!
Récepteurs membranaires
hormone (ex: insuline)
ou cytokine
milieu extracellulaire
cytoplasme
spécifique d’une hormone/cytokine
le plus souvent membranaire (pas toujours)
transduit un signal à l’intérieur de la cellule >> réaction cellulaire
Rôles
action sur de très nombreux processus cellulaires
le métabolisme cellulaire (ex: insuline)
la multiplication cellulaire (ex: facteurs de croissance)
la migration des cellules (ex: facteurs chimiotactiques)
la différenciation des cellules
lutte contre les infections virales et bactériennes (système immunitaire)
…
!!!
II. 8. La division cellulaire
1- Introduction
2- La Réplication de l’ADN
3- Comparaison procaryotes et eucaryotes
4- La Mitose
5- Les Chromosomes
Reproduction des organismes unicellulaires
Protistes unicellulaires
Procaryotes
Développement des organismes pluricellulaires
Œuf fécondé
Adulte
1013 à 1014 cellules
Entretien:
109 cellules / jour
1 cellule
II.8
1. La division cellulaire : intro
toute cellule provient d’
d’une cellule
« cellule mère »
le défi: dupliquer l’information génétique (ADN)
« cellules filles »
II.8
La division des procaryotes
réplication de l’ADN (petite taille)
500 000 à 4000 000 pb
PARTITION
partage du cytoplasme
division
NB: Mécanisme similaire pour mitochondries et chloroplastes
II.8
Le cycle cellulaire eucaryote
Cellule au repos (« quiescente »)
Réplication de l’ADN
Division du noyau (« mitose »)
Division de la cellule (« cytocinèse »)
II.8
!
Le cycle cellulaire
G0
Phases:
Interphase:
Gap (hiatus) 1
Synthèse de l’ADN
Gap 2
Mitose
Molécules d’ADN par cellule
Variation de la quantité d’ADN par cellule
92-
46-
G1
S
G2
M
G1
Cycle cellulaire
C
!!!
2. La réplication de l’ADN
G
P
G
C
P
P
G
P
G
C
T
P
A
P
G
C
P
A
T
P
G
P
C
P
P
G
T
A
P
G
C
P
C
G
P
P
P
P
P
P
G
P
G
P
C
P
P
Synthèse du 2e brin
en utilisant le 1er comme matrice
& des nucléotides comme substrat
P
P
P
P
C
P
P
T
A
P
P
P
C
G
P
P
A
T
Etape 1:
séparation des deux brins d’ADN
P
P
G
C
P
P
G
C
P
P
T
A
P
G
P
P
II.8
G
T
A
P
G
C
P
C
G
P
P
C
P
P
P
C
G
G
C
P
P
P
P
T
A
A
T
P
P
« réplication »
P
P
C
G
G
C
P
P
P
P
A
T
G
C
P
P
P
P
C
2 molécules
identiques
de même
séquence !
T
A
P
G
P
P
P
G
C
P
P
C
G
P
T
A
P
P
P
P
C
G
P
P
II.8.2
Bilan de la réplication de l’ADN
ADN + x dATP + x dTTP + y dCTP + y dGTP
2 ADN + (2x+2y) PPi
enzyme : ADN polymérase
Semi-conservative: chaque molécule d’ADN est constituée d’un brin original
et d’un nouveau brin
sens : l’ADN polymérase allonge toujours l’extrémité 3’ de l’ADN
énergie : fournie par l’hydrolyse des liens phosphates des désoxyribonucléotides
toute molécule d’ADN est synthétisée à partir d’ADN (réplication)
exception : les rétrovirus (ex: virus du SIDA) : ADN synthétisé à partir d’ARN
UNIVERSEL !!
II.8.3
!!
Réplication de l’ADN bactérien
ADN circulaire
départ : toujours du même endroit
(= origine de réplication)
propagation: dans les deux directions
fourches de réplication
(endroit où travaille l’ADN polymérase)
ADN (E. Coli)
3’
fourche de réplication
5’
3’
3’
5’
5’
3’
ADN
5’
ADN polymérases
trajet de l’enzyme
synthèse nouveau brin
5’
3’
3’
5’
ADN polymérase
3’
fourche de réplication
5’
ADN
trajet de l’enzyme
3’
synthèse nouveau brin
5’
3’
5’
ADN polymérase
3’
5’
3’
fourche de réplication
5’
ADN
trajet de l’enzyme
3’
synthèse nouveau brin
5’
5’
3’
ADN polymérase
3’
5’
3’
fourche de réplication
5’
ADN
trajet de l’enzyme
3’
synthèse nouveau brin
5’
3’
5’
II.8.3
Réplication du génome eucaryote
mécanisme: comme chez les bactéries
…sauf:
¾ départs multiples (± 20000 chez l’homme)
car génomes eucaryotes beaucoup plus grands !
milliers de réplicons qui finissent par fusionner
¾ synthèse de nouvelles histones pour reconstituer la chromatine
II.8
4. La mitose
Cellule au repos (« quiescente »)
9 Réplication de l’ADN
Etapes:
1- Prophase
2- Métaphase
Division du noyau (« mitose »)
3- Anaphase
4- Télophase
Division de la cellule (« cytocinèse »)
II.8
La mitose : le défi
ADN dupliqué
!!!
Noyau
5-10 μm
2 x 1,8 m (homme)
2 x 6,4 109 bp
en 46 morceaux
à partager en 2 héritages identiques
sans faire de nœuds !
la solution : condenser l’ADN en chromosomes
Les molécules d’ADN identiques restent associées après la réplication
cohésine
chromatine
(ADN + histones)
Condensation de l’ADN
cohésine
chromatine
(ADN + histones)
core
Condensation de l’ADN
2 chromatides
cohésine
centromère
chromatine
(ADN + histones)
chromosome
1-10 μm
polymère de tubuline
rigide
dynamique
Fin de l’interphase
centrosome
cinétochore
chromosome
2 centrioles
noyau
microtubule
Interphase – G2
Duplication du
centrosome
microtubule
Prophase
cinétochore
chromosome
• condensation de l’ADN en chromosomes
• formation du fuseau mitotique
• disparition du noyau
Prophase
Métaphase
Anaphase
cinétochore
Chromosomes:
fixation au fuseau
séparation des chromatides
migration
au centre
Le fuseau mitotique
centrosome
3 types de fibres fusoriales:
aster
ancrage du fuseau
continues maintien de la distance entre les pôles
+ étirement du fuseau
2 microtubules
chromosomiques
migration des chromatides
cinétochore
La migration des chromosomes
cinétochore
centrosome
microtubule
chromatide
Télophase
Cytocinèse
étranglement équatorial
partage des organites
Cellules végétales
Cytocinèse
Mitose
vésicules golgiennes
plaque cellulaire
paroi
pas de centrosome
II.8
5. Les chromosomes
!!!
Caryotype :
Etalement des chromosomes
d’une cellule bloquée en
métaphase
Coloration révélant l’architecture
de chaque chromosome
centromère (c)
II.8
!!!
5. Les chromosomes
caryotype
cellules somatiques d’une espèce donnée
nombre pair et constant = 2n
(homme: n = 23)
n paires de chr. homologues
un lot de n chr. un lot de n chr. = 2n (diploïdie)
centromère (c)
Chaque cellule hérite d’un patrimoine génétique identique !
Métaphase
Anaphase
paire de chromosomes homologues
Les chromosomes
chromosomes homologues
structure constante
position du centromère
quantité d’ADN
taille
bandes
Nombre, nature et position des gènes
Séquence identique à 99%
exception:
chr. sexuels (X et Y)
centromère (c)
Cartographie des chromosomes
télomère
bandes chromosomiques
bras court (p)
centromère
bras long (q)
télomère
Les chromosomes
Caryotype réalisé au départ d’une cellule en métaphase
Application:
dépistage de maladies génétiques
ex: trisomie 21
Identification des chromosomes par fluorescence
II.8.5
Anomalies chromosomomiques
Aneuploïdie :
nombre anormal de chromosomes. Ex: trisomie
Délétion :
perte d’un fragment de chromosome
!
Duplication / Amplification d’un fragment
qui s’insère juste à côté ou dans un autre locus
trisomie partielle
Inversion :
retournement d’un fragment
Translocation simple :
transfert d’un fragment d’un chr. vers un autre
réciproque : échange de fragments entre 2 chr.
Modification des gènes situés aux points de rupture
Effets de position
II.8.5
Anomalies chromosomomiques
!
germinale
peut être transmise (héréditaire)
Ex: trisomie 21
Peuvent survenir dans une cellule
somatique
non héréditaire
csq pour la cellule et ses descendantes
Ex: cancer
Cancer et mitose
prolifération anarchique des cellules
nombreuses mitoses visibles en histologie
Un agent antimitotique : le taxol
fixation aux microtubules
extrait de l’if
II.8
9. Mort cellulaire
NECROSE :
destruction de la cellule suite à une atteinte des fonctions vitales
(ex: infection, toxique)
libération de son contenu dans le milieu extracellulaire
APOPTOSE « mort cellulaire programmée », « suicide cellulaire »
organismes pluricellulaires uniquement
destruction organisée/programmée de la cellule au bénéfice de l’organisme
maintien de l’intégrité membranaire
rôles:
développement embryonnaire (doigts…)
élimination de cellules inutiles
ou dangereuses (infectées par un virus)
Apoptose
B-C
digestion des protéines cellulaires
cytosquelette
protéines d’adhérence
fragmentation de l’ADN
D
fragmentation en corps apoptotiques
qui seront phagocytés
par une autre cellule
IIIe Partie
Physiologie cellulaire
1
Flux d’énergie et thermodynamique
2
Enzymes
3
Nutrition cellulaire
4
Catabolisme et production d’énergie
5
Anabolisme
6
Du gène à la protéine
1- Flux d’énergie du vivant
Apports:
Energie chimique
Lumière (plantes)
Organisme
vivant
Stockage :
Energie chimique
(sucres, lipides)
Dépenses:
Croissance
Reproduction
Mouvements
Chaleur
…
III.1
Thermodynamique* du vivant : I
* étude des transformations d’énergie
1ere loi : Conservation de l’énergie :
L’énergie n’est ni créée ni détruite mais seulement transformée
Energie cinétique
(mouvement)
Energie lumineuse
Energie chimique
Energie thermique
(chaleur)
III.1
Thermodynamique du vivant : II
2e loi : Augmentation du désordre lors d’une transformation d’énergie :
Tout échange d’énergie augmente l’entropie de l’univers
les organismes vivants constituent des systèmes ouverts :
la création d’ordre dans le vivant est compensée par du désordre
dans l’environnement
Molécules de haute
énergie chimique
Chaleur
Déchets
Gaz
III.1
Prévision des réactions : l’énergie libre
Evolution spontanée de tout système vers un état
plus stable
de plus faible énergie libre G
(énergie utilisable pour réaliser un travail)
G = H – T.S
d’entropie S plus élevée (« désordre »)
d’enthalpie H plus faible (énergie chimique)
à une température T donnée
Détermine si une réaction biochimique se produit ou non:
G produits < G réactifs ou ΔG<0
réactifs
G
réaction exothermique
produits
réaction équilibrée
G
réactifs
produits
ΔG proche de 0
ex: CO2 + H2O
fructose-6-phosphate
H2CO3
glucose-6-phosphate
réaction endothermique
ex: acides aminés
protéine
produits
G
INTERDIT !?
réactifs
Couplage avec une réaction productrice d’énergie:
le plus souvent: hydrolyse de l’ATP
Bilan global:
ATP+ H2O
G
réactifs +ATP +H2O
G
-7.3 kcal/mol
produits + ADP +Pi
ADP + Pi
III.1
L’ATP: une source d’énergie chimique
« prête à l’emploi »
Adénosine triphosphate (nucléotide)
base azotée
adénine
NH2
3 phosphates
O
HO
P
O
O
O
P
O
O
O
P
O
H
O
N
N
CH2
O
H
Liaisons riches en énergie
N
N
H
H
H
ribose
OH
OH
ADP
+
phosphate
Pi
Catabolisme
Photosynthèse
Anabolisme
Mouvements
ATP
Ensemble de toutes les réactions biochimiques = métabolisme
!!
2- Les enzymes
Contraintes du métabolisme cellulaire :
- Respect des lois de la thermodynamique (énergie)
- Contrôle de la vitesse de réaction (cinétique)
Problème : les réactions biochimiques sont en général très lentes
ex: saccharose
glucose + fructose (ΔG=-29 kJ/mol)
Réactions nécessitant une énergie d’activation (Ea) élevée
III.2
Enzymes
état de transition
G
Ea
réactifs
ΔG
produits
décours de la réaction
enzymes :
accélèrent les réactions (catalyse) 1000 à 1016 x
en diminuant l’énergie d’activation Ea
pas d’influence sur ΔG (et donc sur l’équilibre)
positionnent les réactifs correctement
Enzymes
!!
substrats
spécifiques !
Enzyme
(protéine)
saccharase
site actif = site catalytique
glucose
fructose
produits
III.2
!!
Spécificité des enzymes
Spécifiques d’une seule réaction / un seul substrat
pas de produits contaminants ou secondaires
rendement nettement > aux réactions chimiques en labo
dû à la conformation du site de fixation du substrat
Toutes les réactions biochimiques sont catalysées par des enzymes
Orientation du métabolisme
seules les réactions catalysées par une enzyme se produisent in vivo
(quelques exceptions : réactions acide-base…)
B
x
enz
A
C
x
D
Equilibre de la réaction inchangé: catalyse dans les deux directions
A
B
III.2
Coenzymes
Molécules organiques non protéiques qui participent aux réactions enzymatiques:
ATP, GTP, UTP
énergie chimique
NAD+/NADH
NADP+/NADPH
FAD/FADH2
donneurs/accepteurs d’électrons
réactions d’oxydoréduction
Coenzyme A (CoA)
transporteur d’acide gras
précurseurs = vit B5 et ADP
vitamines B
Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide:
un coenzyme transporteur d’électrons
base azotée:
nicotinamide
vitamine B3
ribose
phosphate
base azotée:
adénine
phosphate
ribose
Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide:
un coenzyme transporteur d’électrons
Oxydation
Ethanol
Acétaldéhyde
CH3-CH2-OH
CH3-C=O
|
H
2 e- + 2H+
Réduction
NAD+
NADH + H+
Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide:
un coenzyme transporteur d’électrons
Réduction
1/2 O2
H2O
2 e- + 2H+
Oxydation
NADH + H+
NAD+
Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide:
un coenzyme transporteur d’électrons
2 électrons
2 protons H+
NAD+
NADH + H+
(NADP+)
(NADPH + H+)
III.2
!!
Facteurs qui influencent l’activité d’une enzyme
Température
pH : en général neutre
mais enzymes digestives (estomac, lysosomes): pH acide
Concentration en substrat : l’enzyme peut être saturée !
Expression de l’enzyme (quantité d’enzyme par cellule)
niveaux de contrôle :
le gène qui code pour l’enzyme
la stabilité de la protéine (durée de vie)
la stabilité de l’ARN qui code pour l’enzyme
Régulateurs de l’activité de l’enzyme (pouvoir catalyseur)
modification covalente (ex: phosphorylation)
inhibiteurs / activateurs
Fixation de l’inhibiteur sur le site catalytique (compétition avec le substrat)
Fixation de l’inhibiteur sur un autre site
ou
Fixation irréversible de l’inhibiteur (sur le site catalytique ou ailleurs)
Activation de l’enzyme par fixation sur un site régulateur
III.2
Inhibition des enzymes:
applications pharmacologiques
De nombreux médicaments agissent en inhibant une enzyme
ex:
antibiotiques:
pénicilline: inhibiteur d’une enzyme nécessaire
pour la synthèse de la paroi bactérienne
anti-viraux :
AZT: inhibe la polymérase du virus
anti-cancéreux
…
III.2
Nomenclature des enzymes
Ancienne :
nom choisi par le chercheur qui découvre l’enzyme
suffixe « -ase »
ex: saccharase, kinase…
encore très utilisée
Nouvelle :
rationnelle, basée sur les classes d’enzymes et le substrat
III.2
6 classes d’enzymes
1 - Oxydoréductases
réactions d’oxydoréduction (transfert d’électrons)
coenzymes : NAD+, NADP+, FAD
2 - Transférases
transfert d’un groupement chimique
ex: kinase, transfert d’un phosphate (coenzyme: ATP)
3 - Hydrolases
rupture d’une liaison par l’eau : AB + H2O
ex: saccharase
4 - Lyases
rupture/formation d’une liaison avec réarrangement interne
A + B
C
5 - Isomérases
changement intramoléculaire : A
B
transformation d’une molécule en son isomère
6 - Ligases
liaison de 2 molécules : A + B + ATP
énergie fournie par l’ATP
ex: ADN ligase
A-H + B-OH
C + ADP + Pi
III.2
Nomenclature rationnelle des enzymes
Nom classique
Glucokinase =
Nom rationnel
ATP, glucose phosphate transférase
Classe d’enzyme
N° 2
Substrats
Groupe tranféré
« Enzyme Classification »: EC 2.7.1.1
3- Nutrition cellulaire
3.1 Besoins nutritifs:
- d’eau
- de minéraux
- d’énergie
- d’une source de carbone et d’azote
- des molécules que l’oganisme n’est pas capable de synthétiser
III.3
!
Carbone et énergie
Energie
Phototrophe
Chimiotrophe
lumière
composés chimiques
Plantes
Cyanobactéries
certains protistes
Quelques
procaryotes
Carbone
Autotrophe
CO2
Animaux
Eumycètes
Protistes
Procaryotes
Hétérotrophe
composés
organiques
Quelques
procaryotes
Cycle de l’azote
procaryotes
N2
procaryotes
ammonium NH4+
oxydes d’azote
nitrates NO3-
Plantes/procaryotes
azote organique
(acides nucléiques, protéines)
(urée)
animaux
azote:
ammonium,
nitrates…
CO2
lumière
eau
minéraux
plantes
photoautotrophe
O2
synthèse de tous les composés organiques
Glucides
Lipides
Protides
8 acides aminés essentiels
acides gras essentiels
vitamines
O2
Energie, carbone et azote
eau
minéraux
homme
hétérotrophe
synthèse des autres composés organiques
(protéines, acides nucléiques, lipides, sucres)
III.3
!!
3.2 - Modes de Nutrition cellulaire
Passage de la membrane plasmique
- diffusion
- transport passif ou actif
Endocytose :
- phagocytose
- pinocytose
Lysosomes
III.3.2
La Diffusion
colorant
(solution aqueuse)
mouvements aléatoires des molécules (fonction de la température)
répartition du soluté dans tout l’espace disponible
diffusion apparente
selon le gradient de concentration
membrane semi-perméable
III.3.2
!!
La diffusion de l’eau : l’ Osmose
membrane qui
permet le passage de l’eau
mais pas du soluté
solution
hypertonique
diffusion de l’eau vers le compartiment
où elle est la moins concentrée
solution
hypotonique
membrane perméable à l’eau
mais pas au soluté
solutions
isotoniques
membrane perméable au soluté
pression osmotique
Pression osmotique d’un solution
Π tot = Σ Πi
Il faut tenir compte de tous les composés dissous !
Cellule sans paroi
(animaux)
Cellule avec paroi
(végétaux,
bactéries)
Sang:
Cytosol:
Cations
Na+ 140 mM
K+ 4 mM
Ca++ 5 mM
Na+ 5 mM
K+ 130 mM
Ca++ variable
Anions
Pression osmotique des liquides physiologiques
HCO3- 25 mM
Phosphates 1 mM
Cl- 100 mM
Cl- 10 mM
Phosphates
Acides organiques
Glucose 5 mM
Protéines
Urée
…
Glucose variable
Protéines
…
(concentrations approximatives)
« Sérum physiologique »
les globules rouges explosent dans l’eau (hypotonique)
les solutions injectables doivent être isotoniques
par rapport aux liquides physiologiques humains
sérum physiologique : 0,9 % NaCl ( ±150 mM)
III.3.2
!!!
Diffusion au travers de la membrane plasmique
Diffusion simple
Coéfficient de diffusion au travers d’une bicouche lipidique artificielle:
élevé: gaz (CO2, O2, N2), benzène
moyen à faible :
petites molécules neutres : éthanol, eau, urée
très faible à nulle :
molécules polaires neutres de taille moyenne
glucose
ions (Na+, K+)
grandes molécules (protéines…)
III.3.2
!!!
Diffusion au travers de la membrane plasmique
Diffusion simple
Diffusion facilitée
Transport passif
Transport actif
ATP
contre le gradient de concentration
énergie fournie par l’hydrolyse d’ATP
diffusion selon le gradient de concentration
CO2, O2
eau, ions, nutriments…
ions, nutriments…
Aquaporines
eau
osmose
Les canaux calcium
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++ Ca++
réticulum
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
Ca++
réticulum
cytoplasme
cytoplasme
Ca++
Ouverts à un moment bien précis
Contraction musculaire
Les perméases
milieu extracellulaire
cytoplasme
ex: transport de glucose ou d’acides aminés
Pompe à protons
H+
H+
H+
H+
pH acide
H+
H+
milieu extracellulaire (estomac)
lysosomes
ATP
cytoplasme
pH neutre
H+
Transport actif
Pompe Na+/K+
3 Na+
[Na+] = 140 mM
[K+] = 5 mM
milieu extracellulaire
ATP
cytoplasme
[Na+] = 5 mM
[K+] = 140 mM
2 K+
Transport actif
(cellules animales)
III.3.2
Les Transporteurs
protéines
« catalyseurs d’un processus physique: le passage de la membrane »
comme les enzymes:
accélèrent la vitesse de passage
direction du transport inchangée (sauf si apport d’énergie : ATP)
très grande spécificité de substrat
saturables
sensibles aux inhibiteurs / activateurs
régulations multiples (le transport peut être activé ou fermé)
III.3
3.2 - Modes de Nutrition cellulaire
Passage de la membrane plasmique
- diffusion
- transport passif ou actif
Endocytose
Lysosomes
III.3.2
!!
Endocytose
Type :
taille
Phagocytose
solide
> 1 μm
Pinocytose
liquide
variable
Endocytose par récepteur
molécule
0,1 μm
lysosomes
digestion enzymatique et absorption des constituants
Phagocytose
ingestion d’un corps solide
formation de pseudopodes
puis d’une large vésicule > 1 μm
1 μm
ou phagosome
Pinocytose
ingestion de liquide
formation d’une vésicule
Endocytose par récepteur interposé
- fixation sur un récepteur spécifique
- formation d’une petite vésicule
tapissée de clathrine
0,1 μm
Exemples: -chez les mammifères, fer circule sous forme d’un complexe avec la transferrine
se fixe sur le récepteur de la transferrine
-lipides
Digestion lysosomiale
phagocytose
pinocytose
endocytose
autophagie
H+
endosome
vésicule nutritive
lysosomes
organites
pH acide
hydrolyse des polymères
(protéases, hydrolases…)
Nutriments (glucose, acides aminés…)
III.
Transformation des composés absorbés
endocytose
nutriments
lysosome
(glucose, acides aminés…)
anabolisme
destruction
Production d’énergie
= catabolisme
constituants cellulaires
Mouvements…
III.
4- Métabolisme et production d’énergie
4.1 - Catabolisme du glucose (1ère partie) : la glycolyse
4.2 - Catabolisme du glucose (suite) : la respiration
4.3 - Catabolisme des lipides
4.4 - Catabolisme des acides aminés
4.5 - Catabolisme des acides nucléiques
III.
4.1 Métabolisme du glucose : la glycolyse
[glucose]sang = 1 g/l
Transport passif
glucose
énergie
glycogène
acides aminés,
Oses (frutose, ribose…)
lipides…
III.4
Activation du glucose
[glucose]sang = 1 g/l
Transport passif
glucose
ATP
hexokinase
ADP
glucose-6-phosphate
Buts:
(1) - rendre le glucose plus réactif
(2) - diminuer [glucose] dans le cytoplasme pour faciliter le transport
III.4
Activation du glucose
[glucose]sang = 1 g/l
Transport passif
glucose
ATP
hexokinase
glycogène
ADP
glucose-6-phosphate
Glycolyse
Acides aminés
Acides gras
Cholestérol…
ribose
énergie
III.
La Glycolyse
BILAN :
Phase d’activation
Investissement d’énergie
- 2 ATP
Libération d’énergie
+ 2 x 2 ATP
+ 2 NADH
2 ATP
2 NADH
III.
Rôle central de la glycolyse dans le métabolisme
Glucose
Ribose-phosphate
His
Nucléotides
Glycérol
Ser, Cys, Gly
Ala
Pyruvate
Acétyl-CoA
Acides gras, cholestérol
III.
!!
La glycolyse anaérobie ou Fermentation
But: produire de l’ATP en absence d’oxygène
2 ADP
Glucose
2 ATP
2 pyruvates
GLYCOLYSE
2 NADH +
H+
Bilan net:
2 ATP / glucose
2 NAD+
régénération du NAD+
2 lactates
ou
2 éthanol + 2 CO2
III.5.3
La Fermentation
Fermentation lactique
mammifères : muscles en effort violent
bactéries : yogourt et fromage
1 glucose + 2 ADP + 2 Pi
2 acide lactique + 2 ATP
Fermentation alcoolique
1 glucose + 2 ADP + 2 Pi
2 éthanol + 2 CO2 + 2 ATP
levures : bière, vin
III.
4.2 La Respiration
Transformation du pyruvate en acétyl-coenzyme A
Cycle de Krebs
=
cycle du citrate
H2O
Cycle de Krebs
=
cycle du citrate
ADP + Pi
FAD + 4 NAD+ + 2 H2O
Pyruvate
Oxydoré
Oxydoréduction
FADH2 + 4 NADH + 3 H+
3 CO2
Phosphorylation
au niveau du substrat
ATP
!
La synthèse d’ATP dans la mitochondrie
½O2 + 2 H+
NADH + H+
Oxydoré
Oxydoréduction
Chaîne
de transport
d’électrons
=
Chaîne respiratoire
NAD+
H2O
énergie
3 ADP + 3 Pi
ATP
synthétase
3 ATP
+3H2O
Phosphorylation oxydative
accumulation de protons
dans l’espace intermembranaire
cytoplasme
matrice mitochondriale
espace
intermembranaire
H+
H+ H+ H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+ H+
H+ H+
H+
ADP
H+
H+
ATP
NADH
NAD+
O2
H+
H2O
ATP synthétase
chaîne de transport d’électrons
utilise le gradient de
protons comme source d’énergie
-transfert des électrons sur l’oxygène
-récupération de l’énergie
sous forme d’un gradient de protons
Espace intermembranaire
Pompe
NADH + H+ + ½O2
NAD+ + H2O
(= chaine respiratoire)
H+
Turbine
(= ATP synthétase)
3 ATP
H+
Matrice
Bilan énergétique du catabolisme aérobie du glucose
Par molécule de glucose:
Glycolyse
Krebs
-2 ATP
+4 ATP
2 NADH
transport
+6 ATP
-2 ATP
+2 ATP
8 NADH
2 FADH2
+24 ATP
+4 ATP
4 ATP
32 ATP
Phosphorylation d’ATP au niveau du substrat ou oxydative
III.
Bilan énergétique du catabolisme aérobie du glucose
oxydoréduction
D-Glucose
+ 6 O2
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6
(180 Da)
ΔG = -686 kcal/mol
ADP + Pi
36 ATP
4 Kcal/g
+ H2O
7.3 kcal/mol . 36 = 262 kcal
rendement : 38%
III.
Le catabolisme des lipides et des protéines
passe aussi par des réactions de la glycolyse
et par Krebs
III.5.5
!!
4.3 - Le catabolisme des acides gras
Mitochondrie
Triglycérides
glycérol
Acides gras
acétyl-CoA
Krebs
β-oxydation
CO2 + H2O
Phospholipides
NADH + H+
FADH2
NADH + H+
FADH2, ATP
Contenu énergétique très important : 9 Kcal/g
Catabolisme uniquement aérobie et mitochondrial
>> Idéal pour le stockage d’énergie à long terme
III.5.5
!!
4.4 Le catabolisme des acides aminés
O2
Protéines
CO2 + H2O
Acides aminés
urée
protéases
ATP
NADH + H+
contenu énergétique = glucides < lipides
Beaucoup d’acides aminés sont dégradés en pyruvate
acétyl-CoA ou
intermédiaires du cycle de Krebs
l’azote est éliminé sous forme d’ammonium (relativement toxique)
ou d’urée
III.5.5
4.5 Le catabolisme des acides nucléiques
ADN, ARN
Nucléotides
!!
ATP
Nucléases
(hydrolases)
Ribose
Bases puriques
Bases pyrimidiques
CO2
acide urique
urée
NB:
la goutte = précipitation d’acide urique dans les articulations
III.
Rôle central de la glycolyse dans le métabolisme
Glucose
Ribose-phosphate
Nucléotides
Pyruvate
Acétyl-CoA
CO2
III.
5 - L’anabolisme
5.1 Synthèse du glucose chez les mammifères
5.2 Photosynthèse
5.3 Synthèse des acides gras et du cholestérol
NB:
Synthèse de l’ADN : voir mitose !
Synthèse de l’ARN et des protéines : chap suivant
III.
5.1 Synthèse du glucose chez les mammifères
muscle
acides aminés
Glycogène
foie
Glucose
Néoglucogenèse pyruvate
acétyl-coA
acides gras
tissus
adipeux
cerveau
le glucose est essentiel pour le fonctionnement du cerveau
produit à partir du glycogène,
puis des acides aminés
production au départ de graisses impossible !
graines
Amidon
Glucose
CO2
Cycle de Calvin
chloroplastes
5.2 Production de glucose chez les plantes
Photosynthèse
Energie
acides aminés
Néoglucogenèse pyruvate
acétyl-coA
graines
Krebs
peroxysomes
acides gras
cellulose
mitochondrie
Energie
en présence de lumière, produit par photosynthèse
obscurité et graines : lipides ou amidon
III.
5.3 - Le métabolisme des lipides
Glycérol
Acides gras
Triglycérides
Phospholipides
Acétyl-CoA
Cholestérol
Stéroïdes
Acides biliaires
III.
!
5.3 Anabolisme des acides gras
certains acides aminés
glycolyse
glucose
Cytoplasme !
pyruvate
CO2
acétyl-CoA
glycérol
acides gras
R.E. lisse
Phospholipides
Triglycérides
III.
Synthèse des acides gras
1 acétyl-CoA
CH3 – CO-CoA
2C
butyryl-CoA 4C
2
6C
3
CH3 – [CH2](n-2) – CO-CoA
8C
4
n = nombre de C
10C
5
12C
6
14C
7
palmityl-CoA
8
9
16C
18C
stéaryl-CoA
Energie et coenzymes : ATP, NADPH et coenzyme A
Métabolisme du cholestérol
Apport alimentaire
acétyl-CoA
Cholestérol
Acides biliaires
digestion
Stéroides hormonaux
Vitamine D3
médicaments hypocholestérolémiants
Le cholestérol ne peut pas être retransformé en acétylCoA !!
IIIe Partie - Physiologie
6- Du gène à la protéine
Intro: du gène à la protéine
6.1 – Code génétique
6.2 – Mécanisme de synthèse
6.3 – Lieux de production et trafic
6.4 – Dégradation des protéines
6.5 – Contrôle de l’expression des gènes
6.6 – Comparaison procaryotes – eucaryotes
6.7 – Virus
Définition du gène
segment d’ADN de séquence déterminée
qui contient l’information nécessaire à la production
Homme:
± 500
d’un ARN de transfert ou
ribosomal ou
messager un polypeptide > 25 000
localisation précise sur un chr. donné = locus
III.6
ADN, ARN et synthèse des protéines
ADN (gènes)
Transcription
ARN t
ARN r
NOYAU
ARN prémessager
Maturation
ARN messager
Traduction
RIBOSOMES
polypeptide
III.6.1
le code génétique
Protéines
ADN
ARN
20 acides aminés
A
T
G
C
A
U
G
C
1 acide aminé
aminé
3 bases = 1 triplet
1 codon
ex: met
ATG
AUG
ala
GCA
GCC
GCG
GCT
GCA
GCC
GCG
GCU
redondance !
III.6.1
le code génétique
Protéines
ADN
ARN
20 acides aminés
A
T
G
C
A
U
G
C
3 bases = 1 triplet
1 acide aminé
aminé
1 codon
Départ = met
ATG
AUG
STOP
TGA
TAG
TAA
UGA
UAG
UAA
III.6.1
le code génétique
A
C
D
E
F
G
H
I
K
L
M
N
P
Q
R
S
T
V
W
Y
Z
Ala
Cys
Asp
Glu
Phe
Gly
His
Ile
Lys
Leu
Met
Asn
Pro
Gln
Arg
Ser
Thr
Val
Trp
Tyr
Stop
Alanine
Cystéine
Ac. aspartique
Ac. glutamique
Phenylalanine
Glycine
Histidine
Isoleucine
Lysine
Leucine
Méthionine
Asparagine
Proline
Glutamine
Arginine
Sérine
Thréonine
Valine
Tryptophane
Tyrosine
GCA, GCC, GCG, GCU
UGC, UGU
GAC, GAU
GAA, GAG
UUC, UUU
GGA, GGC, GGG, GGU
CAC, CAU
AUA, AUC, AUU
AAA, AAG
UUA, UUG, CUA, CUC, CUG, CUU
AUG
AAC, AAU
CCA, CCC, CCG, CCU
CAA, CAG
AGA, AGG, CGA, CGC, CGG, CGU
AGC, AGU, UCA, UCC, UCG, UCU
ACA, ACC, ACG, ACU
GUA, GUC, GUG, GUU
UGG
UAC, UAU
UAA, UGA, UAG
III.6.1
le code génétique
ADN
ARN
Protéines
A
T
G
C
A
U
G
C
20 acides aminés
3 bases = 1 triplet
TRANSCRIPTION
« recopiage »
1 codon
1 acide aminé
TRADUCTION
« langage » différent
III.6.2
III.6.2
Maturation de l’ARN
(eucaryotes)
exon 1
ARN prémessager
intron 1
exon 2
intron 2
exon 3
3’
5’
Epissage
ARN messager
5’
3’
queue (poly-A)
coiffe (G modifié)
exon 1
ARN prémessager
intron 1
exon 2
intron 2
exon 3
3’
5’
Epissage
ARN messager
5’
3’
AUG
Stop
cadre de lecture
protéine
parties non traduites :
Ribosome :
2 sous unités
protéines + ARN ribosomal (ARNr)
produit au niveau du nucléole
(chez les eucaryotes)
anticodon
ARN de transfert
± 80 nucléotides
structure secondaire en trèfle
homme: 48 reconnaissent un ou plusieurs codons
spécifiques d’un acide aminé
H3N+-
-COO-
Pour lire les triplets : partir du centre
Exemple: traduction du gène de l’insuline
Exons
Exemple: l’insuline
1,43 kb
Exon 1
Exon 2
Exon 3
Exon 1
AGCCCTCCAGGACAGGCTGCATCAGAAGAGGCCATCAAGCAG
Exon 2
ATCACTGTCCTTCTGCCATGGCCCTGTGGATGCGCCTCCTGCCCCTGCTGGCGCTGCTG
M A L W M R L L P L L A L L
GCCCTCTGGGGACCTGACCCAGCCGCAGCCTTTGTGAACCAACACCTGTGCGGCTCACAC
A L W G P D P A A A F V N Q H L C G S H
CTGGTGGAAGCTCTCTACCTAGTGTGCGGGGAACGAGGCTTCTTCTACACACCCAAGACC
L V E A L Y L V C G E R G F F Y T P K T
.. .. ..
Exemple: l’insuline
1,43 kb
Exon 1
Exon 2
Exon 3
… CGCCGGGAGGCAGAGGACCTGCAGG
… R R E A E D L Q V
Exon 3
TGGGGCAGGTGGAGCTGGGCGGGGGCCCTGGTGCAGGCAGCCTGCAGCCCTTGGCCCTG
G Q V E L G G G P G A G S L Q P L A L
GAGGGGTCCCTGCAGAAGCGTGGCATTGTGGAACAATGCTGTACCAGCATCTGCTCCCTC
E G S L Q K R G I V E Q C C T S I C S L
TACCAGCTGGAGAACTACTGCAACTAGACGCAGCCCGCAGGCAGCCCCACACCCGCCGCCT
Y Q L E N Y C N Stop
CCTGCACCGAGAGAGATGGAATAAAGCCCTTGAACC
III.
!!!
6.4 Trafic des protéines
CYTOSOL
Mitochondries
chloroplastes
via pores nucléaires
translocation
NOYAU
Réticulum endoplasmique
via vésicules
Lysosomes
Golgi
lieu de synthèse
Sécrétion
membranes
Peptide signal
peptide/séquence signal : signal d’exportation vers le RER
± 20 AA hydrophobes, N-terminaux
complexe de
translocation
Reconnaissance du peptide signal par un complexe de protéines
complexe de
translocation
(protéines)
•translocation de la protéine dans le réticulum au cours de la synthèse
•la protéine adopte sa forme tridimensionnelle
clivage de la séquence signal
III.
!!!
6.4 Trafic des protéines
SYNTHESE
TRI
Départ:
Cytosol
Destination:
Cytosol
Noyau (sauf enveloppe)
Protéines membranaires
Si peptide signal:
RER
Golgi
Mitochondrie
Lysosomes
Protéines sécrétées
Mitochondries
III.6.
5. Dégradation des protéines
Recyclage des protéines inutiles ou dénaturées
problèmes lors de la synthèse (1 erreur / 10 000)
protéines abîmées
Contrôle du niveau d’expression des protéines régulatrices
ex: contrôle du cycle cellulaire
Production de peptides présentés aux cellules du système immunitaire
vérifier que la cellule ne produit pas de protéines virales
Dégradation des protéines : le protéasome
localisé dans le cytosol et le noyau
abondant: représente 1% des protéines cellulaires
hydrolyse des liens peptidiques
protéine à dégrader
reconnaissance et
dénaturation
hydrolyse
protéasome
protéases
cytoplasmiques
peptides
acides aminés
III.6.
6 - Contrôle de l’expression des gènes
gène = information nécessaire à la synthèse d’un ARN/une protéine :
segment d’ADN qui code pour un ARN (prémessager, t, r)
+ séquence régulatrice = promoteur
contrôle l’expression du gène (la quantité d’ARN qu’il produit)
indique le point de départ de l’ARN
ARN polymérase
facteurs de transcription
exon 1
intron 1
exon 2
intron 2
exon 3
ARN prémessager
GENE (ADN)
exon 1
promoteur
+
-
5’
3’
intron 1
exon 2
intron 2
exon 3
3’
5’
brin matrice = séquence complémentaire
Transcription
exon 1
ARN prémessager
intron 1
exon 2
intron 2
exon 3
3’
5’
Maturation
ARN messager
5’
3’
AUG
Stop
Traduction
protéine
N
C
Met
Gène de l’insuline
Promoteur
III.6.6
Contrôle de l’expression des gènes:
les hormones stéroïdiennes
Noyau
Cytoplasme
transporteur
Récepteur spécifique
ARN polymérase
Gène cible
6.7 - Synthèse des protéines chez les procaryotes
¾ même code universel
¾ mécanisme quasi identique sauf:
pas de maturation de l’ARN messager (pas d’introns)
ARNm polycistroniques : codent pour plusieurs protéines
¾ structure des acteurs (polymérase, ribosome, protéasome…) similaire
mais pas identique:
ribosomes plus petits
application: antibiotiques
ex: tétracyclines (inhibition spécifique du ribosome bactérien)
la sé
séquence ADN – ARN – proté
protéines est la base de toute vie sur Terre
6.8 - Détournement de la synthèse des protéines :
les VIRUS
¾ incapables de se reproduire seuls
ne sont pas des êtres vivants mais des « parasites cellulaires »
¾ infectent des cellules cibles spécifiques
utilisent la machinerie cellulaire (ribosomes…) pour se reproduire
provoquent la mort de la cellule infectée
¾taille ± 0,1 μm
¾contiennent un petit génome (ARN ou ADN) qui code pour:
- les protéines de la capside (protection du génome)
- des protéines qui interfèrent avec les fonctions cellulaires
en option : une enveloppe (membrane) lipidique
virus de la
mosaïque du tabac
adénovirus
virus de la grippe
bactériophage T4
Cycle de reproduction d’un virus à ADN
ADN
réplication
infection
ADN
assemblage
transcription
traduction
lyse
ARN
protéines de
capside
IVe Partie
Reproduction et Génétique
1 – Introduction: gène, génome, hérédité
2 – Reproduction, fécondation et méiose
3 – Polymorphisme
4 – Hérédité : lois de Mendel et applications en génétique humaine
5 – Hérédité : cas particuliers
6 – Génétique des populations
7 – Bricolage génétique, clonages et OGM
Intro
Génétique : définitions
science de l’hérédité
transmission des caractères d’une génération à la suivante
support: gènes
segment d’ADN qui contient l’information
nécessaire à la production d’un ARN/d’une protéine
génome : ensemble des gènes d’un individu/d’une espèce
Génomes et règnes
Organisme
Taille du génome
Nb de gènes
bases / gene
(une copie)
Bactéries
4000 kb
4000
1000
Eucaryotes:
Levure
12000 kb
6000
2000
Drosophila
137 Mb
14000
10000
Riz
466 Mb
40000
2.5-3 Gb
25000
3.2 Gb
25000
Mammifères
Homo sapiens
100 000
Le génome humain
± 3,2 milliards de paires de bases (soit 0,9 m d’ADN)
répartis en 23 molécules d’ADN (qui forment les chromosomes de la mitose)
> 25 000 gènes différents
Cellules germinales : 1 copie
Cellules somatiques : 2 copies
euchromatine :
séquence connue à 99% (depuis 2004)
riche en gènes
hétérochromatine :
séquences répétitives indéterminées
(20% du génome)
peu de gènes
Fonction des gènes humains
2. La Reproduction
un seul parent
« clonage »
Reproduction asexuée
Multiplication végétative
progéniture génétiquement identique au parent
Sexuée:
deux parents
frères/soeurs différents
des parents et entre eux
variation génétique
moteur de l’évolution
Multiplication végétative
et reproduction asexuée
production par un individu (parent) de descendants
génétiquement identiques à lui-même (clones)
• procaryotes
parent
• protistes (mitose)
bourgeon
• végétaux (stolons, boutures, certaines spores…)
• animaux inférieurs
hydre
Reproduction asexuée artificielle des mammifères:
le clonage
Premier mammifère cloné : Dolly, 1997
2.2 Reproduction sexuée
¾ production par deux individus (parents) de descendants
génétiquement différents
¾ existe chez tous les êtres vivants
très différente chez les procaryotes
seul mode de reproduction naturel chez les animaux supérieurs
¾ permet une grande variation génétique entre individus
essentielle à la survie à long terme de l’espèce
moteur de l’évolution
IV.2
Reproduction sexuée : eucaryotes
parent 1
parent 2
!!!
2n chromosomes (état diploïde)
réduction compensatoire de la quantité de matériel g.
lors de la formation des gamètes = méiose
gamètes
n chromosomes (haploïde)
fusion des gamètes = fécondation
la quantité de matériel génétique par cellule double
œuf = zygote
2n chromosomes (diploïde)
mitoses
organisme
multicellulaire
pas de changement de la quantité de matériel g./cellule
Haploïde
Diploïde
(© Campbell)
La méiose
1 cellule diploïde
Méiose 1
Méiose 2
INTERPHASE
!!!
réplication de l’ADN
PROPHASE 1
METAPHASE 1
ANAPHASE 1
TELOPHASE 1 et CYTOCINESE
PROPHASE 2
METAPHASE 2
ANAPHASE 2
TELOPHASE 2 et CYTOCINESE
4 cellules haploïdes
Interphase
Prophase 1
réplication de l’ADN
apparition et appariement
des chromosomes homologues
(une seule paire illustrée)
échanges de segments
Prophase 1
5 étapes:
Leptotène
condensation de l’ADN : apparition des chromosomes
Zygotène
appariement des chromosomes homologues
grâce aux protéines du complexe synaptonémal
Pachytène
crossing-over/enjambement des chromosomes
Diplotène
séparation des chromatides, sauf au niveau des chiasmas
(disparition du complexe synaptonémal)
pause à ce stade chez la femme
Diacinèse
dernière étape de condensation des chromosomes
disparition du nucléole et dispersion de l’enveloppe nucléaire
formation du fuseau
!!!
Les chromosomes homologues en prophase 1
Leptotène
Zygotène
Pachytène
Diplotène
Diacinèse
chromatine
centromères
complexe synaptonémal
chiasmas
Enjambement
= Crossing-over
Enjambement des chromosomes
microscopie électronique
3 chiasmas
Tétrade de chr.
homologues
Alberts et al
Métaphase 1
alignement des tétrades
de chromosomes
Anaphase 1
Télophase 1
séparation des
chr. homologues
Cytocinèse
Prophase 2
Métaphase 2
Anaphase 2
séparation des chromatides sœurs
(comme mitose)
Télophase 2
&
cytocinèse
4 cellules filles aux génomes différents !
Vie foetale
Gamétogenèse Ovocyte primaire
Méiose 1:
Arrêt en diplotène
Après puberté
Ovocyte secondaire
Méiose 2:
Arrêt en métaphase 2
Globules polaires
Fin de la méiose induite
Par la fécondation
Ovule
Chromosomes maternels
(homme : 23)
Chromosomes paternels
Méiose
II.8
Aneuploïdie suite à une méiose anormale
Nombre anormal de chromosomes suite à une non-disjonction
d’une paire de chromosomes lors de la méiose.
Chez l’homme : en général létal sauf :
trisomie 21 (syndrome de Down) 1enfant /800
trisomie 13, 18 ou 22: mortelles
XXY (syndrome de Klinefelter) 1 garçon /1000, stérile
XYY 1 garçon /1000, normal
trisomie X 1 fille /1000, souvent stérile
monosomie X (syndrome de Turner) 1 fille /5000, stérile
La méiose : conclusion
!!
• réduction du nombre de chromosomes homologues
(production de cellules haploïdes)
• source de variation génétique
redistribution des chr. homologues
enjambements
• se produit uniquement lors de la maturation des gamètes
dans les organes sexuels
• mécanisme à différencier de celui de la mitose
3. Polymorphisme et allèle
!!!
polymorphisme : variation normale de la séquence d’ADN au sein d’une même espèce
homme : 99,9% commun, ± 0,1% polymorphique
- variations d’1 nucléotide sur 1250 (SNP)
soit > 106 SNP / génome
- petites insertions, délétions, duplications
différencie les chromosomes homologues
base génétique des différences entre individus
allèles : formes différentes d’un même gène
résultant d’un ou plusieurs polymorphisme(s)
SNP = « single nucleotide polymorphism »
!!!
Chromosomes homologues en métaphase de mitose
Mêmes gènes, différences alléliques, polymorphismes
Séquence identique à 99,9 %
Chromatides sœurs
Séquences identiques à 100%
GENE (ADN)
exon 1
promoteur
intron 1
*
*
5’
3’
exon 1
ARN prémessager
ARN messager
5’
intron 2
exon 3
3’
5’
brin codant = séquence complémentaire
intron 1
exon 2
intron 2
exon 3
3’
*
*
5’
AUG
protéine
exon 2
N
Met
*
3’
Stop
C
Départ
Stop
ADN
(gène)
ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT ..ATC
ARNm
AUG GCA UGC GAC UUC GGA GGA ..UAG
Protéine
Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly ..Fin
Mutation ponctuelle (SNP)
ADN
(gène)
ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT ..ATC
ADN
muté
ATG GCA TGC GAA TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTT AAG CCT CCT ..ATC
ARNm
AUG GCA UGC GAA UUC GGA GGA ..UAG
Protéine
Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly ..Fin
Glu
Mutation non-sens: introduction d’un arrêt prématuré
ADN
(gène)
ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT ..ATC
ADN
muté
ATG GCA TGC GAC TTC TGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG ACT CCT ..ATC
ARNm
AUG GCA UGC GAC UUC UGA GGA ..UAG
Protéine
Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly ..Fin
Fin
protéine tronquée
Mutation ponctuelle silencieuse
ADN
(gène)
ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT ..ATC
ADN
muté
ATG GCA TGC GAT TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTA AAG CCT CCT ..ATC
ARNm
AUG GCA UGC GAU UUC GGA GGA ..UAG
Protéine
Met Ala Cys Asp Phe Gly Gly ..Fin
GAC et GAU codent tous les deux pour Asp !
GENE (ADN)
exon 1
promoteur
*
*
5’
3’
5’
ARN messager
5’
intron 2
exon 3
3’
5’
intron 1
exon 2
intron 2
exon 3
3’
*
* AUG
N
protéine
exon 2
brin codant = séquence complémentaire
exon 1
ARN prémessager
intron 1
3’
Stop
C
Met
Mutation ponctuelle :
remplacement d’une paire de bases de l’ADN par une autre
dans un exon – partie traduite : changement d’un codon
• changement de la séquence de la protéine
protéine mutée
• introduction d’un STOP : protéine tronquée
• mutation silencieuse, protéine normale
promoteur, parties non traduites de l’ARN, introns
conséquences plus difficilement prévisibles
peut changer l’expression de la protéine
Insertion en phase
ADN
(gène)
ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT ..ATC
ATG GCA TGC GTA GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CAT CTG AAG CCT CCT ..ATC
ADN
muté
insersion d’un multiple de 3 nucléotides
ARNm
AUG GCA UGC GUA GAC UUC GGA GGA ..UAG
Protéine
Met Ala Cys Val Asp Phe Gly Gly ..Fin
un acide aminé supplémentaire
Insertion induisant un décalage du cadre de lecture
ADN
(gène)
ADN
muté
ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT ..ATC
ATG GCA TGC G GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG C CTG AAG CCT CCT ..ATC
ARNm
AUG GCA UGC GGA CUU CGG AGG A...
Protéine
Met Ala Cys Gly Leu Arg Arg...
séquence différente à partir de l’insertion
longueur de la protéine différente !!
Délétion en phase
ADN
(gène)
ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT ..ATC
ATG GCA TGC
TAC CGT ACG
ADN
muté
TTC GGA GGA ..TAG
AAG CCT CCT ..ATC
délétion d’un multiple de 3 nucléotides
ARNm
AUG GCA UGC
GAC UUC GGA GGA ..UAG
Protéine
Met Ala Cys Asp Asp Phe Gly Gly ..Fin
un acide aminé en moins
Délétion induisant un changement du cadre de lecture
ADN
(gène)
ATG GCA TGC GAC TTC GGA GGA ..TAG
TAC CGT ACG CTG AAG CCT CCT ..ATC
ADN
muté
ATG GCA TGC
TAC CGT ACG
AC TTC GGA GGA ..TAG
TG AAG CCT CCT ..ATC
ARNm
AUG GCA UGC
ACU UCG GAG GA...
Protéine
Met Ala Cys Thr Ser Gly...
séquence différente à partir de la délétion
longueur de la protéine différente !!
Insertion/délétion dans la séquence de l’ADN
dans un exon – partie traduite
• insersion/délétion d’acide(s) aminé(s)
• décalage du cadre de lecture
promoteur, parties non traduites de l’ARN, introns
conséquences plus difficilement prévisibles
peut changer l’expression de la protéine
Polymorphisme
Variation de séquence
(mutation, insertion, délétion)
abolition de l’expression
ou de la fonction de la protéine
effets partiels sur l’expression
ou la fonction de la protéine
Variation anormale
pathologique
mutations silencieuses
Variation normale, physiologique
entre individus
Apparition de nouvelles mutations/délétions/insertions
¾ Rayonnements ionisants : UV, X, radioactivité
¾ Produits toxiques
¾ Mutations spontanées suite à des erreurs de l’ ADN polymérase
Si cette modification survient dans la lignée germinale,
elle peut devenir héréditaire (sauf si létale)
sélection naturelle / évolution
Si elle survient dans une cellule non germinale (somatique),
elle ne sera pas héritée
mutation somatique
peut avoir des conséquences graves : cancer
Moteurs de l’évolution des eucaryotes
Modifications génétiques
¾ Méiose : redistribution des allèles à chaque génération
¾ Mutations qui créent de nouveaux allèles au sein d’une population
¾ Création de nouveaux gènes
(duplications, translocations… cfr chromosomes)
et modifications plus profondes du génome:
création de nouvelles espèces
Sélection
Élimination des modifications délétères
Sélection des modifications qui donnent un avantage
4. Lois de Mendel
Gregor Mendel: moine travaillant vers 1860 dans l’abbaye de Brunn (Tchéquie)
Etude de la transmission des caractères
chez les petits pois
Expériences de fertilisation contrôlée
P (parents)
fleurs mauves × fleurs blanches
caractère: couleur de la fleur
phénotype: mauve ou blanc
F1 (1ère génération)
fleurs mauves
dominance
F2 (2e génération)
75% fleurs mauves
25% fleurs blanches
P (parents)
fleurs violettes × fleurs blanches
vv
VV
gamètes:
V
caractère: couleur de la fleur
1 gène
2 allèles: violet V dominant
v
blanc v récessif
F1
(1ère
fleurs violettes
génération)
Vv
gamètes:
V (50%)
F2 (2e génération)
v (50%)
75% fleurs violettes
25% fleurs blanches
VV
Vv
Vv
vv
Génération F2
Parent 2
Parent 1
Gamètes
V
1/2
v
1/2
V
1/2
VV
1/4
Vv
1/4
v
1/2
Vv
1/4
vv
1/4
Génotype
Probabilité
Phénotype
VV
1/4
mauve
Vv
2/4
mauve
vv
1/4
blanc
VV et vv : homozygotes
Vv : hétérozygote
Maladies génétiques humaines liées à un seul gène
Récessives (>1000 répertoriées)
albinisme
absence de pigmentation (peau, yeux)
mucoviscidose
trop de mucus, trop visqueux
anémie falciforme = drépanocytose
Dominantes
chorée de Huntington
achondroplasie
ostéogenèse imparfaite
dégénérescence cérébrale vers 40 ans
nanisme
maladie des os de verre
La mucoviscidose
gène = CFTR, un canal ionique
2 allèles: normal (« sauvage », « wild-type »)
muté inactivation du canal (récessif)
population caucasienne: 4% d’hétérozygotes
très rare dans les populations asiatiques et africaines
les enfants malades proviennent de parents hétérozygotes:
gamètes :
wt/mut × wt/mut
½ wt
½ wt
½ mut
½ mut
wt/wt
25%
wt/mut 50%
mut/mut 25%
sains
malades
L’anémie falciforme
Gène pléiotropique:
contrôle de multiples
caractères
© Campbell
L’anémie falciforme
gène = hémoglobine
2 allèles: normal (« sauvage », « wild-type »)
muté (récessif)
populations africaines: 10% d’hétérozygotes (plus résistants à la malaria ?)
très rare dans les populations asiatiques et caucasiennes
gamètes :
wt/mut × wt/mut
½ wt
½ wt
½ mut
½ mut
wt/wt
25%
wt/mut 50%
mut/mut 25%
sains
malades
Loi de Mendel (« monohybridisme »)
1 gène (caractère)
phénotype
Deux copies:
une sur chaque chromosome homologue
> Génotype:
Même allèle : homozygote
2 allèles différents : hétérozygote
dominance : un allèle (dominant) l’emporte sur l’autre (récessif)
co-dominance : les deux allèles s’expriment
Cas particulier : mutation létale
Allèle normal « wt » (+)
Allèle mutant (-) récessif
Si les embryons -/- ne se développent pas (avortement spontané) :
Parents : +/- × +/-
Œufs fécondés:
25% +/+
50% +/25% -/- létal
enfants 33,3% +/+
66,7% +/-
!!
Les groupes sanguins
oligosaccharides à la surface des globules rouges
N-acétylgalactosamine
type A
lipide ou
protéine
galactose
type O
type B
enzyme
Gène:
allèle A (co-dominant)
allèle B (co-dominant)
allèle O (récessif)
Phénotype
Génotype
Groupe A
AA ou AO
Groupe B
BB ou BO
Groupe AB
AB
Groupe O
OO
chromosomes homologues
gène du système ABO
allèle A
allèle B
Génotype: AB hétérozygote
Phénotype: groupe AB
Parents : AA × OO
gamètes:
A
O
Enfants:
AO × AO
½A
½A
½O
½O
AO
groupe A
AA 25%
AO 50%
OO 25%
groupe A dominant
groupe O récessif
AB × AB
½A
½A
½B
½B
AA
AB
BB
25% groupe A
50% groupe AB
25% groupe B
codominance
Groupes sanguins
Systè
Système ABO
Systè
Système Rhé
Rhésus
1 gène
3 allèles: A, B, ou O
1 gène
2 allèles: Rh+, Rh-
9q34
1p36
gènes localisés sur 2 chromosomes différents
transmission indépendante
Parents : AA Rh-Rh- × OO Rh+Rh+
gamètes:
A RhO Rh+
homozygotes
pour les deux allèles
Enfants:
hétérozygotes
pour les deux allèles
AO Rh+Rhgroupe A+
Parents : AO Rh+Rh- × BO Rh+Rh-
Quelle est la probabilité qu’un enfant soit AB+ ?
probabilité que l’enfant soit AB :
¼ (génotype AB)
probabilité que l’enfant soit Rh+ :
¼ (génotype +/+)
+ ½ (+/-)
probabilité que l’enfant soit AB+ :
¼ . ¾ = 3/16
¾
valable pour des gènes transmis de façon indépendante
Parents : AO Rh+Rh- × BO Rh+Rh-
Génotype des enfants
B Rh-
O Rh+
O Rh-
probabilité
groupe AB+
3/16
groupe AB-
1/16
groupe A+
3/16
groupe A-
1/16
groupe B+
3/16
A Rh+
A Rh-
O Rh+
O Rh-
AB
Rh+/+
AB
Rh+/-
BO
Rh+/+
BO
Rh+/-
AB
Rh+/-
AB
Rh-/-
BO
Rh+/-
BO
Rh-/-
AO
Rh+/+
AO
Rh+/-
OO
Rh+/+
OO
Rh+/-
groupe B-
1/16
groupe O+
3/16
AO
Rh+/-
AO
Rh-/-
OO
Rh+/-
OO
Rh-/-
groupe O-
1/16
Gamète
B Rh+
Phénotype
Exercice
Tyrosinémie de type I
Mutation dans le gène de la fumaryl-acétoacétate hydrolase
Tyrosine
Fumaryl-acétoacétate
Acétyl-CoA
Problèmes hépatiques, rénaux et neurologiques
Type de transmission ?
Génotype Marie ?
Francine ?
Michel ?
Robert ?
5. Hérédité: cas particulier
Liaison entre gènes
!!
chromosomes homologues
Gènes A et B situés sur le même chromosome
Gène A
Gène B
allèle A1
allèle B1
allèle A2
allèle B2
Gènes situés sur le même chromosome
A1
B1
A2
B2
MEIOSE
gamètes
A1
B1
50%
A2
B2
50%
Gène A lié au gène B
Gènes situés sur le même chromosome
A1
B1
A2
B2
gamètes
A1
B1
A2
B2
MEIOSE
A1
A2
B1
B2
A1
B2
B1
recombinaison par enjambement des chr.
A2
Fréquence de recombinaison par enjambement
proportionnelle à la distance entre les deux gènes
très rare entre gènes contigus gènes fortement liés
fréquente entre gènes éloignés :
atteint 50% pour des gènes situés à des extrémités opposées
équivalent à la distribution de gènes situés sur des chr. unité de mesure : 1 centimorgan = 1 unité Morgan = 1%
50 % Détermination de la
localisation d’un gène
en la comparant à un autre
qui sert de référence
Fréq.
0Distance physique sur le chr.
Gènes situés sur des loci adjacents
gamètes
A1 B1
50 %
A1B1
A2 B2
50 %
A2 B2
MEIOSE
B2
enjambements des chr. très rares
B1
Très rares
A1
A2
Gènes situés sur des loci distants du même chromosome
gamètes
B1
A2
B2
A1
B1
A2
B2
25%
MEIOSE
A1
A2
B1
B2
A1
25%
25%
B2
enjambements fréquents
Éventuellement multiples
B1
25%
A2
recombinaison: 50%
A1
Exercice de crossing-over
On croise deux types de souris homozygotes de laboratoire qui portent les
allèles mutés a et b, respectivement. Si les gènes A et B sont situés sur le
même chromosome à 20 centimorgans l’un de l’autre, quelle est la probabilité
d’obtenir des souris homozygotes pour les deux mutations en F2 ?
Caractères liés au sexe
!
gènes déterminant le sexe
chromosomes sexuels
X et Y
gènes liés au sexe :
non impliqués dans la détermination du sexe
mais présents sur un seul des 2 chr. sexuels (X)
gènes communs entre X et Y
régions pseudo-autosomiques
hérédité : comme autosomes
Caractères liés au sexe
ex:
daltonisme
myopathie de Duchenne
hémophilie
confusion des couleurs
affaiblissement musculaire mortel
trouble de la coagulation
gènes sur le chromosome X (et pas sur Y)
XA Y × XA Xa
hémizygotes
XA XA
XA Xa
XA Y
Xa Y
25%
25%
25%
25%
femme porteuse (hétérozygote):
transmet la maladie à 50% de ses fils
sains
malades
si Xa Y peut se reproduire :
Xa Y × XA XA
malade
XA Xa
XA Y
le père transmet un allèle muté à toutes ses filles
saine
50%
50%
sains
Xa Y × XA Xa
malade
XA Xa
XA Y
Xa Xa
Xa Y
probabilité de rencontre beaucoup + faible
saine
25%
25%
25%
25%
sains
seul cas où les femmes (50%) sont atteintes
malades
Transmission de l ’hémophilie dans la descendance de la reine Victoria
Hérédité mitochondriale
mitochondries : génome de ± 16 000 bases (homme)
ARNt et ARNr mitochondriaux
13 gènes sans introns
mammifères:
beaucoup plus de mitochondries dans un ovule que dans un spermatozoïde
transmission des caractères mitochondriaux par les femmes
hérédité maternelle
ex: maladies humaines rares comme la myopathie mitochondriale
Hérédité mitochondriale : exemple
Neuropathie optique de Leber
Mutation d’une protéine de la chaine électronique
Mutant
Normal
Pénétrance
Pénétrance : % d’individus atteints parmi les individus ayant un génotype donné
Soit l’allèle a récessif responsable d’un maladie…
Pénétrance = 100%
Tous les individus aa sont malades
Pénétrance faible x %
Les individus aa ont un risque
d’être malade de x %
NB: dans les exercices, si rien n’est précisé, la pénétrance est de 100%
Neuropathie optique de Leber
Mutation d’une protéine de la chaine électronique
Mutant malade
Mutant sain
Normal
Pénétrance : % d’individus malades parmi les mutants
ici : 50%
IVe Partie
Reproduction et Génétique
1 – Introduction: gène, génome, hérédité
2 – Reproduction, fécondation et méiose
3 – Polymorphisme
4 – Hérédité : lois de Mendel et applications en génétique humaine
5 – Hérédité : cas particuliers
6 – Génétique des populations
7 – Bricolage génétique, clonages et OGM
6. Génétique des populations
Loi de Hardy – Weinberg :
calcul des fréquences d’allèles et de génotypes dans une population
Dans une population à l’équilibre,
la proportion des allèles est constante d’une génération à la suivante
conditions:
croisements entre individus au hasard
population infiniment large
pas de sélection naturelle
population fermée
pas de mutations
méiose normale
Soit A et a, les 2 allèles d’un gène
si la fréquence d’individus AA est x
Aa
y
aa
z
(x + y + z = 1)
alors la fréquence p de l’allèle A est
p=
2x + y
2
et la fréquence q de l’allèle a est
q=
2z + y
2
et
p+q=1
Soit A et a, les 2 allèles d’un gène
si la fréquence des allèles A est p
a
q
p+q=1
alors la fréquence d’homozygote AA est
x = p2
aa est
z = q2
d’hétérozygote Aa est
y = 2.p.q
et x + y + z = 1
Exemple 1
Groupe Rhésus: dans la population caucasienne: 85% Rhésus +
Fréquence des allèles + et - ?
Exemple 2
Mucoviscidose:
dans la population caucasienne: 4% d’hétérozygotes +/très rare dans les populations asiatiques et africaines
Quelle est la fréquence de la maladie ?
Modifications de la loi de Hardy – Weinberg :
Dans une population à l’équilibre,
la proportion des allèles est constante d’une génération à la suivante
conditions:
croisements entre individus au hasard
population infiniment large
pas de sélection naturelle
population fermée
pas de mutations
méiose normale
modifie fréq de génotype
modifie fréq des allèles rares
sélection des génotypes qui
donnent un avantage reproductif
influence de l’immigration/émigration
apparition de nouveau allèles
Reproduction asexuée artificielle des mammifères:
le clonage
Mère génétique
Cellule somatique parentale
cultivée in vitro
fusion par choc électrique
Œuf cloné
Œuf non fécondé
Donneur
d’ovocyte
élimination
du noyau
mitoses in vitro
Embryon
Agneau cloné :
Dolly
Mère porteuse
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Homo sapiens
Tetraodon nigroviridis
Caenorhabditis elegans
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Homo sapiens
Tetraodon nigroviridis
Caenorhabditis elegans
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Homo sapiens
Tetraodon nigroviridis
Caenorhabditis elegans
MPKDIQLVSRIRGERA
MPKDIQLARRIRGERA
MPKDIQLARRIRGERA
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Organisme
Nombre d’acides aminés
différents
Homme
0
Chimpanzé
0
Singe Rhésus
1
Lapin
9
Porc
10
Chien
10
Cheval
12
Pingouin
11
Papillon
24
Levure
38
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212
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217
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˜\_‚#"_‚@\™_@"š
218
Bactéries
Mitochondries
Eucaryotes
(noyau)
ADN
Circulaire
Circulaire
taille
Mégabases (106)
Kilobases (104)
Linéaire
(chromosomes)
Gigabases (109)
Gènes
Sans introns
Sans introns
Introns/exons
Ribosomes
50S + 30S
50S + 30S
60S + 40S
Division
partition
partition
mitose
Autonome
Nombreuses
protéines codées
par l’ADN
nucléaire
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219
TABLE DES MATIERES
Introduction
2
I - Composition chimique des êtres vivants
8
1 Introduction : les atomes
2 L’eau
3 Les composés carbonés
8
11
17
II - Cytologie: l’unité de base du vivant: la cellule
55
1 Introduction
2 La membrane plasmique
3 Le cytoplasme
4 Les organites
5 Le noyau
6 Paroi et matrice extracellulaire
7 Contacts et communication entre cellules
8 Division cellulaire
9 Mort cellulaire programmée
55
60
62
65
72
75
80
86
107
III - Physiologie cellulaire
1 Flux d’énergie et thermodynamique
2 Enzymes
3 Nutrition cellulaire
4 Métabolisme et production d’énergie
5 Anabolisme
6 Du gène à la protéine
IV - Reproduction et Génétique
1 Introduction
2 Reproduction, fécondation et méiose
3 Polymorphisme
4 Hérédité: lois de Mendel
5 Hérédité: cas particuliers
6 Génétique des populations
7 Clonage et bricolages génétiques
108
108
112
121
136
147
151
170
170
172
181
190
194
207
210