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Travaux dirigées #1 avec réponses
Pour 1 sept 2006-08-31
Caractéristiques universelles des cellules sur terre
1
1.
Un homme adulte est composé d’environ 10^13 cellules, toutes étant issues par division
cellulaire d’un unique œuf fécondé.
a. En supposant que toutes les cellules continuent à se diviser (comme les bactéries dans un
milieu riche), combien de génération de divisions cellulaires sont-elles nécessiares pour
produire 10^13 cellules?
Le nombre (n) de génération de divisions cellulaires nécessaires pour obtenir 10^13 cellule est
2^n = 10^13. Il est pratique de se rappeler que 2^10 ~ 10^3 (2^n donne la série :
2,4,8,16,32,64,128,256,1024; donc, 2^10 ~1024 ~ 1000). Si 1000 cellules résultent de dix
générations de divisions, 10^12 cellules résulteront de 4 x 10 = 40 générations. Vous pouvez
donc estimer rapidement qu’il va falloir un peu plus de 40 générations pour atteindre 10^13
cellules. Vos pouvez répondre plus précisement 43.2 en entrant differents valeurs de n dans
votre calculatrice; ou bien utiliser l’équation
2 = 10^(log2) et 2^n = 10^(nlog2)
en remplacant 10^(nlog2) = 10^13
nlog2=13
n = 13^log2 = 13/0.301 : n=43.2
b. Les cellules humaines en culture se divisent environ une fois par jour. En supposant que
toues les cellules continuent à se diviser à cette vitesse au cours du développement, en
combien de temps obtient-on un organisme adulte?
Si les cellules se divise une fois par jour et si toutes les cellules continuent à se diviser, on
obtient en 43.2 jours le nonbre de cellules composant un homme adulte.
c. À votre avis, pourquoi le développement menant jusqu’à homme adulte prend-il plus de
temps que ce que suggèrent ces calculs? 1-3
Évidemment, nous ne devenon pas adults en 43 jours. Pour répondre simplement, toutes les
cellules ne continuent pas à se diviser une fois par jour et certaines cellules sont programmées
pour mourir; quand les cellules se différencient, elles diminuent généralement leur vitesse de
division et, en fin de compte, chez l’adulte, se divisent juste assez souvent pour remplacer les
cellules perdues ou mortes. Bien sûr, la veritable réponse est bien plus complexe, implquant
des besoins en terme de temps pour les mouvements cellulaires, pour que des environnements
locaux s’établissent, pour que des matrices extracellulaires se mettent en place, pour que les
cellules se differencient, pour que des profils globaux se développent, etc.
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2.
Dans les années 1940, Erwin Chargaff fit une observation remarquable : dans des échantillons
d’ADN provenant d’une large variété d’organismes, le pourcentage molaire de G [G/(A + T + C +
G)] est égal au pourcentage molaire de C, et les pourcentages molaires de A et T sont égaux. Ceci
constitua un indice essentiel sur la structure de l’ADN. Toutefois, les « règles » de Chargaff
n’étaient pas universelles. Par exemple, dans l’ADN du virus φX174, les pourcentages molaires
sont A=24, C=22, G=23, et T=31. Quelle est la base structurelle des règles de Chargaff et
comment se fait-il que l’ADN de φX174 n’obéisse pas à ces règles? 1-7
Dans l’ADN bicaténaire (la configuration des génomes dans toute vie cellulaire), G s’apparie avec
C et A s’apparie avec T. C,est cette exigence quant à l’appariement des bases qui impose que le
nombre de G soit égal au nombre de C et que les nombres de A et T soient égaux. Dans les grands
échantillons d’ADN, ceci se traduit par des pourcentages molaires équivalents de G et C et de A et
T. Le virus xxx n’obeit pas à cette « loi » parce que son génome est constitué d’ADN
monocaténaire. En l’absence d’une exigence d’appariement systématique des bases, il n’y a pas de
contrainte concernant les quantités relatives de G et de C ou de A et de T.
3.
Vrai/Faux : Les gènes et les protéines qu’ils codent sont colinéaires; en conséquence, l’ordres des
acides aminés dans les protéines est le même que l’ordre des condons dans l’ARN et l’ADN.
Justifiez votre réponse. 1-9
Vrai. Même les eucaryotes, chez lequels les régions codantes d’un gèn sont souvent interrompues
par des segments non codants, l’ordre des codons dans l’ADN est le même que celui des acides
aminés.
4.
La croissance cellulaire repose sur l’assimilation de nutriments et l’élimination de déchets. Vous
pourriez donc imaginer que la vitesse de déplacement des nutriments et des déchets à travers la
membrane celluliare est un factuer important pour la vitesse de croissance cellulaire. Existe-t-il
une corrélation entre le taux de croissance cellulaire et le ratio surface/volume? En supposant que
les cellules sont des sphères, comparez une bactérie (rayon = 1 µm), qui se divise toutes les 20
minutes, et une cellule humaine (rayon = 10 µm) qui se divise toutes les 24 heures. Existe-t-il un
rapport entre les ratios surface/volume et les temps de doublement pour ces cellules? (Le volume
d’une sphère = 4/3πr3; sa surace = 4πr2) 1-11
Le ratio surfaceévolume d’une sphère est 4pr^2/(r/3pr3) = 3/r; le ratio est donc inversement
proportinnel au rayon. En conséquence, par rapport à une cellule humaine, une bactérie a 10 fois
plus de surface par volume de cytoplasme pour permettre l’entrée des nutriments et la sortie des
déchets. La bactérie croît cependant 72 fois plus rapidement que la cellule humaine, ce qui suggère
qu’un autre facteur que la surface disponible limite la vitesse de croissance.
5.
(Vrai/faux) La mucoviscidose est provoquée par des mutations dans le gène codant un transporteur
ABC qui assure le transport des ion chlorure dans les cellules humaines. Justifier votre réponse.112
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Diversité des génomes et arbre phylogénétique
6.
Les gènes hautement conservés comme ceux qui codent les ARN ribosomiques sont présents chez
tous les organismes terriens sous des formes apparentées clairement reconnaissables; ils ont donc
évolué très lentement au cours du temps. De tels gènes étaint-ils « nés » parfaits? 1.19
Il est peu probable qu’un gène puisse voir le jour sous une forme parfaitement optimisée pour sa
fonction. Les gènes hautement conservés tels que ceux codant les ARN ribosomiques ont
probablement été optimisés par des changements évolutifs plus rapides au cours de l’évolution de
l’ancêtre commun des archéobactéries, des eubactéries et des eucaryotes. Étant donné que les ARN
ribosomiques (*et5 les produits de la plupart des gènes hautement conservés) participent à des
processus fondamentaux qui ont été optimisés précocement, il n`y a pas eu de pression de sélection (et
peu de dérive) risquant de provoquer des changements. Au contraire, de nouvelles opportunités
d’investir de nouvelles niches fonctionnelles ont été continuellement présentées aux gènes moins
conservés, évoluant plus rapidement. Considérez par exemple l’évolution des gènes de globines qui
sont optimisés pour délivrer l’oxygène à l’embryon, au fœtus et aux tissus adultes chez les mammifères
placentaires.
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7.
Si la séléction naturelle constitute au cours de l’évolution une pression d’une telle force, c’est
parce que les cellules possédant ne serait-ce qu’un léger avantage de croissance dépassent
rapidement en nombre leurs compétiteurs. Pour illustrer ce processus, considérez une culture
cellulaire qui contient 10(6) bactéries qui doublent toutes les 20 minutes. Une unique cellule de
cette culture acquiert une mutation qui lui permet de se diviser avec un temps de génération de
seulement 15 minutes. Partant du principe que la nourriture n’est pas un facteur limitant et
qu’aucune cellule ne meurt, en combien de temps la descendance de la cellule mutée deviendra-t-
elle prédominante dans la culture? Le nombre de cellules N dans la culture au temps t est décrit
par l’équation N = No x 2 t/G, ou No est le nombre de cellules au temps zéro et G est le temps de
génération. (Avant de commencer votre calcul, essayer de deviner la réponse : pensez-vous qu’il
faudra environ un jour, une semaine, un mois, ou une année?) 1-25
Il ne s’écoule que 20 heures – moins d’une journée – avant que les cellules mutantes deviennent plus
abondantes dans la culture. D’après l’équation donné dans la question, le nombre de cellules
bactériennes originales (« type sauvage ») au temps t minutes après que la mutation s’est produite est
10^6 x 2^(t/20). Le nombre de cellules mutantes au temps t est 1 x 2^(t/15). Au moment où les cellules
mutantes « dépassent » les cellules de type sauvage, ces deux nombres sont égaux
10^6 x 2^(t/20) = 2^(t/15)
10^6 x 2^(t/20)log2 = 2^(t/15)log2
Après extraction des log de part et d’autre et en substituant log2 par sa valeur (0.301),
6 + (t/20)(0.301) = (t/15)(0.301)
En multipliant des deux cîtés par 60 et en résolvant l’équation pour t,
360 + 0.9t = 1.2t
0..3t = 360
T = 1200 minutes ou 20 heures.
Notez qu’il est aussi possible de résoudre ce problème rapidement grâce à la très pratique relation 2^10
~ 1000, en réalisant qu’au bout d’une heure le nombre des cellules mutantes a doublé une fois de plus
que celui des cellules de type sauvage. L’effectif des cellules mutantes double donc une fois par heure
par rapport à celui des cellules de type sauvage. Au bout de 10 heures (2^10) les cellules mutantes ont
donc gagné un facteur d’un millier (10^3) et au bout de 20 heures (2^20), un facteur d’un million
(10^6). ; à ce moment, elles sont aussi nombreuses que les cellules de type sauvage.
Soit dit en passant, quand les deux populations cellulaires sont égales en nombre, la culture contient 2
x 10^24 cellules [(10^6 x 2^60) + (1 x 2^80) = (10^6 x 10^18) + 10^24 = 2 x 10^24], ce qui, à 10^-12
g par cellule, représenterait un poids de 2 x 10^12 g, soit deux millions de tonnes! Ceci n’aura donc pu
être qu’une expérience purement théorique.
Information génétique chez les eucaryotes
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8.
(Vrai/faux) Les cellules eucaryotes contiennent soit des mitochondries, soit des chloroplastes,
mais pas les deux. Justifiez votre réponse. 1.27
Faux. Les cellules végétales contiennent à la fois des mitochondries et des chloroplastes.
Composants chimique de la cellule
9. Que signifie le terme « amphiphile » (amphipathic) ? La figure 2-18 présente un acide gras, un
tracylglycérol et un phospholipide. Indiquez laquelle ou lesquelles de ces molécules sont
amphiphiles et illustrez-en la raison. De quelle manière leurs caractéristiques amphiphiles
interviennent-elles dans les structures typiques que forment ces mlécules dans les cellules? 2-49
Une molécule est amphiphile si ses portions hydrophobe et hydrophile sont regroupées en eux régions
distinctes de la molécule. Comme on peut le voir sur la figure 2-46, les acides gras et les
phospholipides sont amphiphiles car une extrémité de ces molécules est hydrophile et l’autre
hydrophobe. Au contraire, les triacylglycérols sont relativement hydrophobes tout du long. Parce que
les acides gras et les phospholipides sont amphiphiles, les regroupements de ces molécules peuvent
former des types de structures caractéristiques, parmi lesquelles les monocouches lipidiques (à une
interface avec l’aire), les bicouches lipidiques (L’essence de la structure membranaire) et les micelles
(agrégats possédant une surface hydrophile et un centre hydrophobe). Les triacylglycérols, qui sont
hydrophobes tout du long, se séparent d,une solution aqueuse, formant une gouttelette lipidique (la
forme de stockage de la graisse dans les cellules adipeuses).
10. À votre avis, pouquoi seuls les L-acides aminés et non pas un mélange aléatoire de L et de Dacides aminés sont-ils utilisées pour constituer les protéines? 2-51
Pour qu’une macromolécule soit synthétisée sous la forme d’une structure unique, il faut qu’un seul
stéréoisomère soit utilisé à chaque position. Changer un acide aminé de sa forme L à sa forme D donnerait
une protéine différente. En conséquence, si un mélange aléatoire de formes D et L était utilisé pour
synthétiser une protéine, sa séquence en acides aminés ne spécifierait pas une seule structure mais au
contraire de nombreuses structure différentes (2^N sturctures différentes seraient formées, oû N est le
nombre d’acides aminées dans la protéine).
Le fait que les L-acides aminés aient été sélectionnés au cours de l’évolution en tant que briques de
construction exclusives des protéines est un mystère; nous pourrions facilement imaginer une cellule dans
laquelle certains acides aminés (ou même tous) seraient utilsés sous leurs formes D pour construire des
protéines, tant que ces stéréoisomères particulieres seraient utilisés exclusivement.
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11. Il existe de nombreuses manières, chimiquement différentes, de lier de petites molécules pour
former des polymères. L’éthène (CH2=CH2) par exemple est utilisé à échelle commerciale pour
fabriquer un plastique polymétrique, le polyéthylène (…-CH2-CH2-CH2-CH2-…). Toutefois, les
sous-unités des trois principales classes de macromolécules biologiques sont toutes liées par des
mécanismes réactionnels similaires, à savoir des réactions de condensation qui éliminent l’eau. À
votre avis, quels sont les avantages offerts par cette chimie et pourquoi a-t-elle été sélectionnée au
cours de l’évolution? 2-54
Catalyse et utilisation de l’énergie par la cellule
12. Expliquez la différence qui existe entre voie catabolique et voie anabolique du métabolisme et
indiquez de facon générale comment de telles voies sont reliées les unes aux autres dans les
cellules. 2-56.
13. (Vrai/Faux) Les réactions du cycle de l’acide citrique ne nécessitent pas directement la présence
d’oxygène. Justifiez votre réponse.2-100