Cours biologie cellulaire Deug SV1

Cours biologie cellulaire
GLBI_102
L1, Portail Chimie,
Géosciences et PEIP
Introduction
PLAN
Voir sommaire du polycopié
La cellule: base de l’unité et de la
diversité du monde vivant (p17)
Théorie cellulaire (1838, Schleidens & Schwann)
et théorie de l’évolution (Darwin)
 Toute forme vivante est faite de cellules
 Toute cellule dérive d’une cellule pré-existante
Corrolaire: fin de la génération spontanée et du
créationisme.
Unité et diversité structurale
C’est un volume de cytoplasme entouré par une
membrane cytoplasmique et contenant un noyau
et différentes structures. Mais … différenciation
Unité et diversité fonctionnelle
C’est la plus petite organisation moléculaire qui
possède les propriétés du vivant: contrôle des
échanges, métabolisme, croissance et
multiplication. Mais … différenciation
La biologie cellulaire étudie l’organisation
et le fonctionnement de la cellule.
Evolution et tailles des cellules
1,5 Milliards
3,5 Milliards
Procaryotes  Pas d’organites cellulaires, pas de noyau.
Formes de cellules
Cellule animale (schéma)
Centrioles
Cellule végétale (MET)
Le jeu des
7 différences
(p18)
Cellules eucaryotes
METAZOAIRES =Pluricellulaires
• Animale
• Végétale
• Fongique
• Algues
UNICELLULAIRE
• Fongique (levures)
• Protiste
• Algues
Origines de la vie cellulaire
On suppose que la vie existait dès 3,8 Ga, âge des plus anciennes
traces de molécules organiques, et
les premières cellules ayant laissé
des vestiges fossiles sont datées de
- 3,45 Ga (cyanobactéries des Apex
cherts d'Australie occidentale).
Précipités de calcite dus au métabolisme bactérien
La problématique
1.
La théorie de la génération spontanée
est caduque (Pasteur 1860) et Darwin
impose l’idée d’un ancêtre commun de
forme cellulaire simple
2.
La théorie de l’ÉVOLUTION veut que
le premier organisme vivant se soit
développé à partir de la matière
inanimée. Au fur et à mesure qu'il s'est
reproduit, il s'est transformé en des
organismes différents, jusqu'à donner
toutes les formes de vies sur terre.
3.
L'émergence de la vie cellulaire n’a
laissé aucune trace.
On reste dans la théorie …
Mais cela ne vous autorise
Pas à croire à l’impossible !
Origines des
molécules de la vie
Divers schémas réactionnels aboutissent à
la formation de monomères et
polymères biologiques à partir de
précurseurs plus ou moins simples.
Ils postulent que la genèse a eu lieu dans
des environnements extrêmes :
1. Composants de l’atmosphère primitive
dissous dans l’eau (CH4, NH3, CO2, SH2,
H2) + Photons, électricité = soupe
primitive ou prébiotique où se forme
CHON! (Oparine/Haldane ~ 1890)
2. Au fond des océans près des sources
hydro-thermales
3. Provenir de l’espace
Les expériences de S.
Miller (1950)
Chimie prébiotique!
Méconnaissance d
Des 1ères macromolécules à LUCA
(Last Universal Common Ancestor)
?
Les protéines sont indispensables pour
la réplication et l'expression de l’ADN
(gènes) … Et L’ADN est nécessaire
pour la biosynthèse des protéines.
La théorie de l’ARN
On suppose qu'un "monde d'ARN", c'est à
dire une vie utilisant les ARN à la fois comme
matériel génétique et comme catalyseurs, a
précédé l'apparition de cellules comportant
de l'ADN et des protéines.
Pour:
• ARN
Catalytiques
• Virus à ARN
Contre:
• « Fragiles »
• Non autoréplicative
Origine endosymbiotique
des eucaryotes (p19)
Cellule animale: bactérie pourpre …
Cellule végétale: bactérie bleue (cyanobactérie) …
Les enjeux de la
biologie cellulaire (p2)
• Hier, comprendre la cellule
vivante à travers la description de
son organisation, l’identification
de ses molécules constituantes et
l’étude des propriétés de chacune
de ces molécules
• Demain, la nécessaire prise en
compte des environnements
cellulaires et extra_cellulaires, du
quantitatif et du cinétique
• Demain, l’intégration des
données via la modélisation
informatique et la cellule
artificielle ?
Hiérarchie des ultrastructures cellulaires (p3)
Notion de structure et fonction
Et le tableau en bas de la page 3 …
Composition chimique et
liaisons moléculaires (p4)
• Cells are 90% water et liaison H
• Le reste en pourcentage de poids sec est
approximativement:
–
–
–
–
–
50% protéines
15% glucides
15% acides nucléiques
10% lipides
10% autres
 Les biomolécules=macromolécules
• Total approximate composition by
element:
–
–
–
–
60% H
25% O
12% C
5% N
Notion de polarité
• Les électrons d’une liaison
covalente ne sont pas toujours
répartis de manière homogène
(=liaison non polarisée ou apolaire)
car ils sont attirés par les atomes
les plus électronégatifs.
• Par conséquent:
– dans une liaison covalente engageant un
atome életronégatif avec un autre qui
l’est moins, les électrons sont polarisés
– ces molécules, neutres, mais polarisées
ont des propriétés électrostatiques!!!
• Exemple:
Atomes, Fonctions organiques
et polarité
Atomes électronégatifs: F > Cl > 0 > N > P > S
dd+
dd+
d-
d+
dd+
dd- d+
dd+
Molécules polarisées
• Les molécules symétriques et les
alkyles sont apolaires: répartition
homogène des électrons covalents
-
dioxygène O=O
dihydrogène H-H
Méthane: CH4
Alkyl: CH3-(CH2)n
• Les molécules asymétriques avec
atomes électronégatifs (Ex: oxygène,
azote) sont polaires (ou polarisées):
répartition hétérogène des électrons
covalents
– H2O: l’atome d’oxygène étant
électronégatif
– R-COOH; R-OH;
R-CHO; RCOR
• Un ion est chargé donc « polaire »
Polarité, liaison
hydrogène et Eau
• Liaison d’interaction électronique de
force faible (---) par rapport à la liaison
covalente ( ).
d+
• Mais nombreuses …
d(ébullition de l’eau à 20°C!!!)
• La plupart des molécules organiques
sont susceptibles d’établir des liaisons H
• Les molécules polaires établissent des
liaisons H avec l’eau = solubilité!
 Hydrophile (Ex:polysaccharides = Polyols!)
• Les molécules apolaires sont
insolubles dans l’eau
 Hydrophobe (Ex: triglycérides = beurre!)
Les Glucides (p5-6)
• Molécule de base: oses (Aldéhyde
ou cétone + polyol)
Souvent des HEXOSES et Pentoses
cycliques, parfois linéaires
• Macromolécules: polyoses ou
polysaccharides
Diversité des liaisons, linéaires ou
branchés
• Stéréoisomérie
• Fonctions cellulaires: énergie
métabolique (Glc, amidon),
molécule de l’identité cellulaire
(reconnaissance, adhésion, tissu),
structurale (cellulose)
Les Lipides (p7-8)
• Les stéroïdes (cholestérol)
Fonction structurale, hormonale
• Les triglycérides (le beurre)
Ester d’acides gras et du glycérol
Fonction de réserve énergétique
• Les phospholipides
(Phosphatidylcholine = PC)
Ester d’acides gras et du glycérol
+ Phosphatidyl_X
Fonction structurale (membrane)
AMPHIPATIQUE = MICELLE
Stéroïdes
Progestérone
• Ces molécules sont hydrophobes car
globalement apolaires
• Le cholesterol joue un rôle de
renforcement structural des membranes
• Famille des hormones stéroïdiennes
impliquées dans la physiologie
reproductive (œstrogène, testostérone,
etc.)
Triglycerides
Polaire/
hydrophile
Apolaire/
hydrophobe
Apolaire/
hydrophobe
Les triglycérides constituent une
réserve énergétique de résistance
chez les animaux qui est stocké sous
forme de « gras » dans les tissus
adipeux.
Phospholides
• Ester phosphorylique du glycérol
et d’acides gras
• AMPHIPATIQUE = Molécule
à la fois polaire et apolaire
• Constituant structural majeur
des membranes
Les protéines (p9-12)
• Molécule de base: l’acide aminé
À pH = 7!
est L ou D
• Classification des 20 AA fonction
de « R » ou « chaine latérale »:
 Polaire = Hydrophile
 non ionique
 ionique
 Apolaire = Hydrophobe
 aliphatique
 cyclique
• La cystéine est impliquée dans les
ponts S=S intra_ et inter_moléculaires
Classification des AA
Peptides et polypeptides
 Liaison peptidique = liaison amide
N-ter
d-
d+
C-ter
La liaison peptidique est polarisée: liaisons H!
Orientation: Nter _AA1_AA2_ … AAn_ Cter
Les protéines:
des structures I à IV
• Structure primaire:
 Enchaînement des AA du polypeptide
• Structure secondaire:
 Repliements dus aux liaisons hydrogènes
intramoléculaires (CO/HN) des
polypeptides en:
Hélice a
Feuillets plissés b
:O
H:
:C
:N
• Structure tertiaire:
 Ponts S=S intra_ ou inter_ moléculaires
 Interactions avec l’environnement
cellulaire: chaperons, modifications des
chaines latérales (R), etc.
III
IV
• Structure IVre
 Association entre polypeptidiques, les sousunités protéiques, apports d’hèmes (ex:
Fe), pontages lipidiques ou glucidiques
(Glyco- et lipoprotéines).
Polypeptide(s) et protéines
• La protéine est un polypeptide
(structure III) ou un assemblage
de polypeptides (structure IV),
sous-unités protéique, sous une
forme fonctionnelle
• NON! La forme, donc la fonction,
d’une protéine n’est pas
entièrement déterminée par sa
structure I, càd par l’enchaînement
des acides aminés constitutifs de
son polypeptide. L’environnement
cellulaire et extérieur modifie le
repliement (II&III) et
l’assemblage (IV) des polypetides
…
Complexe protéique
Les acides nucléiques (p13-15)
• Nucléoside =
- Base (cycle azoté) + ribose (ARN)
- Base (cycle azoté) + 2-déoxyribose(ADN)
• Nucléotide = nucléoside + phosphate(s)
• Numérotation des atomes :
– La base numérotée 1, 2, 3 …
– Le ribose numérotée 1’, 2’, 3’, …
Polymérisation des nucléotides
= Polynucléotides ou acide
nucléique monocaténaire
d(XMP)n + d(XTP) = d(XP)n+1 + PP
L’appariement des nucléotides
complémentaires
 Les bases sont polarisées: liaisons H qui
induisent un appariement des bases
complémentaires:
H
ou
OH
AMP
TMP
2 liaisons H
H ou OH
GMP
3 liaisons H
HH
ou
OH
Dans l’ARN, UMP remplace TMP
CMP
H
ou
OH
H
Molécule d’ADN = double hélice
formée de deux polynucléotides
(acide nucléique bicaténaire)
complémentaires et antiparallèles
3’
5’
5’
3’
L’appariement (ou hybridation) du aux
liaisons hydrogènes impose la
complémentarité et l’antiparallélisme des
2 chaînes de l’ADN.