Web 2 Fiche 2

Web 2 Fiche 2.1
CYCLE DE KREBS
G. Ona-Nguema, C. Roose-Amsaleg et P. Bauda
Le cycle de Krebs permet d’oxyder complètement les molécules d’acétate (issues de l’oxydation
du pyruvate) en dioxyde de carbone et donc de produire une grande quantité de cofacteurs
réduits (NADH,H+ et FADH2) qui vont fournir les électrons à la chaîne respiratoire.
L’oxaloacétate (OAA) est une molécule très importante, dont le déficit dans la cellule engendre
un dysfonctionnement du cycle de Krebs. Notons que C4, C5 et C6 désignent le nombre de
carbone des molécules impliquées dans le cycle.
1
2
Web 2 Fiche 2.2
GLYCOLYSE OU VOIE D’EMBDEN-MEYERHOF
G. Ona-Nguema, C. Roose-Amasaleg et P. Bauda
La glycolyse est une chaîne de 10 réactions enzymatiques : les réactions 1 à 4 font intervenir les
molécules à 6 carbones (partie I), alors que les réactions 5 à 10 impliquent les composés à 3
carbones (partie II). Les enzymes catalysant ces réactions sont : (1) hexokinase, (2)
phosphoglucose isomérase, (3) phosphofructokinase, (4) aldolase, (5) triose-phosphate
isomérase, (6) glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase, (7) phosphoglycérate kinase, (8)
phosphoglycérate mutase, (9) énolase, (10) pyruvate kinase.
℗ désigne le groupement phosphate.
3
4
Web 2 Fiche 2.3
VOIE DES PENTOSES PHOSPHATES
G. Ona-Nguema, C. Roose-Amsaleg et P. Bauda
La voie des pentoses phosphates peut être divisée en deux grandes parties : (i) la branche
oxydative, composée des réactions 1 à 3 (en noir), au cours de laquelle il y a oxydation d’une
molécule de glucose-6-phosphate avec libération du dioxyde de carbone, d’un pentose
phosphate et de deux NADPH,H+ ; et (ii) la branche non-oxydative représentée par des réactions
4 à 11 (en orange). Les enzymes catalysant ces réactions sont : (1) glucose-6-phosphate
déshydrogénase, (2) phosphogluconolactonase, (3) 6-phosphogluconate déshydrogénase, (4)
pentose-phosphate isomérase, enzyme qui permet une isomérisation réversible du cétose
(ribulose-5-phosphate) en aldose (ribose-5-phosphate), (5) pentose-phosphate épimérase,
enzyme permettant une épimérisation réversible au niveau du carbone 3 des cétoses (ribulose-5phosphate en xylulose-5-phosphate), (6) transcétolase, enzyme qui échange deux carbones entre
un cétose (donneur) et un aldose (accepteur) (7) transaldolase, enzyme qui échange trois
carbones entre un cétose (donneur) et un aldose (accepteur), (8) triose-phosphate isomérase, (9)
aldolase, (10) phosphofructokinase ou fructose-bisphosphatase, (11) phosphoglucose isomérase
(Adapté de Kruger et von Schaewen, 2003).
℗ désigne le groupement phosphate.
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Web 2 Fiche 2.4
VOIE D’ENTNER-DOUDOROFF OU VOIE (CDPG)
G. Ona-Nguema, C. Roose-Amsaleg et P. Bauda
Le glycéraldéhyde 3-phosphate produit à partir du CDPG va subir les mêmes transformations
que dans la glycolyse (réactions 6 à 10, Web 2 Fiche 2.2) pour être converti en pyruvate.
℗ désigne le groupe phosphate.
7
8
Web 2 Fiche 2.5
ORIGINE DE LA VIE :
HYPOTHÈSE DE LA « SOUPE PRÉBIOTIQUE
»-
EXPÉRIENCE DE STANLEY L. MILLER
L. Paolozzi
La vie est apparue dans un petit étang chaud, dans lequel il y avait un riche bouillon de
produits chimiques organiques, à partir desquels s'est formé le premier organisme primitif à la
suite d'une longue période d'incubation durant les temps géologiques.
Ch. Darwin (1859) in On the Origin of Species
Il est admis que la Terre connut, avant que la vie n’y apparaisse, deux phases évolutives
distinctes, géophysique et chimique. La troisième, enfin, fut la phase biologique, celle qui nous
intéresse ici. Il est important de ne pas oublier, avant de poursuivre cette brève discussion, que
tout ceci est dans le domaine d'hypothèses plausibles, dont le substrat est une énorme quantité
de données et de concepts d'origines pluridisciplinaires. Dans son livre Origins of Life (1985), le
physicien Freeman Dyson souligne à ce propos que « l’origine de la vie est un des rares grands
problèmes de la science moderne qui se situe au croisement de presque toutes les disciplines :
Schroedinger y a apporté les idées de la physique, von Neumann celles de la logique
mathématique, Eigen et Orgel de la chimie, Lynn Margulis de l’écologie et Motoo Kimura de la
biologie des populations ». On peut spéculer sur l’origine de la vie, selon John Haldane (1954),
avec comme point de départ une des hypothèses suivantes : la vie (i) n’a pas une, mais
plusieurs, origines ; (ii) est apparue sur notre planète suite à un événement surnaturel ; (iii) a pris
naissance à partir de réactions chimiques “ordinaires” par un processus évolutif lent ; (iv) est le
9
résultat d’un événement très peu « probable », mais possible en considérant la dimension de
l’échelle temporelle concernée et en tenant compte de la composition et de l’état de la matière.
Plus de cinquante ans plus tard, les spéculations à partir d’une de ces quatre hypothèses ont
encore cours. Nous favoriserons, ici, l’une d’elles, la naissance de la vie suite à un ensemble de
réactions chimiques qui ont conduit, par un processus lent, à la synthèse des constituants
organiques essentiels à la construction, au fonctionnement et à la reproduction des premières
formes de vie.
LA TERRE AVANT L’APPARITION DE LA VIE : LA THÉORIE
D’OPARIN-HALDANE
Les théories sur la phase géophysique de l’histoire de la Terre se basent sur les données issues
de la géochimie, de la chimie des météorites et de la radioastronomie. Cette dernière approche,
en particulier, a fourni des informations importantes sur la chimie de notre galaxie, caractérisée
par une densité élevée de nuages riches en gaz constitués d’hydrogène moléculaire, d'eau,
d'ammoniac, d'oxyde de carbone, d'alcool éthylique, d'acide cyanhydrique, et d’autres molécules
réductrices. Il est admis, sur la base de ces données, que les conditions qui ont présidé à la
formation de la Terre, il y a environ 4,5 milliards d’années, étaient semblables à celles que l’on
observe aujourd’hui dans les espaces galactiques riches en molécules réductrices à l’état gazeux.
Ce sont ces conditions qui auraient initié la phase d’évolution chimique de la Terre, phase
durant laquelle des processus de synthèse ont conduit à transformer des éléments et molécules
simples en molécules organiques plus complexes (acides aminés, bases des acides nucléiques,
etc.).
Au début du siècle dernier, Alexander Ivanovitch Oparin (1924), un biochimiste soviétique,
et le biologiste anglais John Haldane (1929) proposèrent, indépendamment, une hypothèse sur la
nature de l’atmosphère primitive de la Terre durant la phase prébiotique. Selon A.I. Oparin, la
Terre aurait connu une longue phase d’évolution chimique, caractérisée par une série
d’événements qui se seraient produits alors que l’atmosphère terrestre était constituée de
méthane, ammonium, hydrogène et vapeur d’eau, donc des conditions réductrices. Ces
éléments, en présence des sources d'énergie (chaleur, décharges électriques, radioactivité,
radiations UV provenant du soleil) dont la Terre disposait, auraient été à la base de la synthèse
de composés organiques de plus en plus complexes. Ces molécules, précipitées de l’atmosphère
dans un environnement aqueux, auraient formé des agrégats colloïdaux, ou « coacervats », ayant
la capacité d'absorber et d'assimiler d’autres composés organiques présents dans
l'environnement. Cette longue évolution, appelée prébiologique par A.I. Oparin, aurait conduit à
générer les premières formes de vie.
Très semblables à cette description étaient les idées de J. Haldane. Ce dernier avait proposé
que la mer primordiale devait être une sorte de laboratoire chimique géant, exploitant pour ses
réactions l'énergie solaire. Dans l'atmosphère, exempte d’oxygène, la combinaison de dioxyde
de carbone et d'ammoniac aurait conduit, sous l’effet du rayonnement ultraviolet, à la synthèse
d’un grand nombre de composés organiques. Ces derniers, une fois précipités dans la mer,
auraient transformé celle-ci en une sorte de « soupe chaude diluée » (la soupe prébiotique)
contenant de grandes populations de monomères et de polymères organiques. Quelques années
plus tard (1954), J. Haldane soutint que l’événement décisif qui aurait permis de passer de cette
10
phase à la vie aurait été l’apparition de membranes lipidiques capables de renfermer des groupes
de monomères et de polymères auto-reproductifs. Ceux-ci, à la suite d'autres processus
évolutifs, auraient généré les premières cellules vivantes.
Les ressemblances entre ces deux hypothèses justifient la tendance à les réunir sous le nom de
théorie d’Oparin-Haldane, laquelle, en raison de l’absence de données expérimentales pour la
consolider, ne fut pas accueillie avec succès au moment de sa formulation.
DE LA THÉORIE AUX EXPÉRIENCES
Au début des années 1950, les idées d’A.I. Oparin et de J. Haldane furent reprises par de
nombreux chercheurs, et principalement par J.D. Bernal (1949), V.M. Goldschmidt (1952) et
H.C. Urey (1952). Les deux premiers proposèrent que des minéraux argileux auraient pu jouer
un rôle important dans la synthèse prébiotique de polymères. H.C. Urey (prix Nobel de chimie
en 1934) s'intéressait à diverses théories sur l’origine du système solaire, et en particulier à la
composition chimique de l’atmosphère primitive de la Terre. Il arriva à une conclusion
identique à celle d’Oparin, que l’atmosphère initiale devait être très réductrice, semblable à celle
de Jupiter actuellement, c’est-à-dire riche en méthane, ammoniac, hydrogène et vapeur d’eau.
Un de ses élèves, Stanley Miller, eut l’idée, en 1953, de construire en laboratoire un système
mimant ces conditions, pour tester l’hypothèse d’Oparin. L’expérience consistait à soumettre un
mélange de gaz (H2, CH4, NH3 et vapeur d’eau), à des décharges électriques continues simulant
des éclairs. Après une semaine de ce traitement, les produits éventuellement synthétisés furent
analysés (voir encart F2.5-1). S. Miller constata la présence de nombreuses molécules
organiques, y compris des amino-acides. Environ 2 % du carbone gazeux a été inclus dans des
acides aminés, dont 13 des 22 présents chez les organismes vivants actuels, avec une
prépondérance pour la glycine.
Encart F2.5-1 - L’appareil de Stanley Miller
L’appareil utilisé par S. Miller est un système clos : l’eau contenue dans un ballon est chauffée,
et sa vapeur transmise, à travers un tube en U, se répand dans un deuxième ballon contenant le
mélange gazeux (« l’atmosphère primitive ») (fig. F2.5-1). Le mélange vapeur d’eau-gaz est
soumis à un cycle de décharges électriques par l’intermédiaire de deux électrodes placées dans
le ballon. La vapeur continue son parcours et se dirige vers un système de refroidissement où
elle se condense sous forme liquide, et peut être récupérée. La propagation de la vapeur d'eau ne
peut se faire que dans une direction. À chaque cycle, une partie du liquide de condensation est
récupérée pour être analysée par chromatographie, et le restant est réintroduit dans le ballonchaudière pour un second cycle, et ainsi de suite.
Miller a utilisé des décharges électriques pour induire la formation de radicaux plutôt que la
lumière ultraviolette du fait que le quartz constituant les ballons aurait absorbé les longueurs
d'onde capables de provoquer la photo-dissociation des gaz.
11
Figure F2.5-1. L'appareil de S.A. Miller.
De nombreux chercheurs ont été influencés par l’expérience de S. Miller, et l’ont répétée en
variant différents paramètres : composition du mélange gazeux, source d’énergie (chaleur,
irradiation UV, etc.). Ces modifications ont été dictées par la considération que les hypothèses
définissant les conditions de l' « atmosphère primitive » reposent sur des données
universellement acceptées. Le désaccord porte soit sur la composition chimique de l’atmosphère
primitive, soit sur la(les) source(s) d’énergie impliquée(s). Pour certains, l'atmosphère originale
de la Terre aurait contenu moins de méthane et d'ammoniac que ce que l'on soutenait à l'époque
de l'expérience de Miller-Urey. Des données récentes soutiennent que la concentration en H2
aurait constitué environ 40 % de l'atmosphère, un environnement beaucoup plus accueillant
pour la formation de molécules organiques prébiotiques.
Malgré ces critiques, les résultats obtenus par S. Miller sont encore de nos jours importants
car ils ont montré qu’il est possible de synthétiser des molécules biologiques à partir d’éléments
ou de molécules simples dans un environnement abiotique. Cette conclusion a été confirmée
dans toutes les expériences de type “Miller” réalisées ultérieurement, ainsi que dans celles ayant
utilisé d’autres approches. Ainsi S.W. Fox et K. Harada réussirent à synthétiser par traitement
thermique des polymères, appelés proténoïdes, constitués de 18 amino-acides (1958), puis des
nucléotides (1961). Ces dernières molécules seront aussi synthétisées par C. Ponnamperuna
(1964). Un autre résultat important (J. Oro’, 1961) a été la formation d’acides aminés à partir de
cyanure d'hydrogène (HCN) et d’ammoniac en solution aqueuse, et l’obtention des quantités
élevées d’adénine. La synthèse de cette dernière molécule est particulièrement importante parce
12
que constituant non seulement de l’ADN et de l’ARN, mais aussi de l’ATP, molécule
énergétique universelle. Plus tard encore a été observée la synthèse d’autres bases des acides
nucléiques, dans des conditions de “chimie prébiotique” dont l'atmosphère réductrice contenait
peu ou pas d'oxygène libre, mais de l’hydrogène sous forme de méthane ou d’ammoniac.
Reste l’hypothèse d’une origine extraterrestre de la vie. Il s’agit d’une hypothèse formulée à
la fin du XIXe siècle. William Thomson (Lord Kelvin) proposa en 1894 que la vie sur la Terre
proviendrait de météorites. Le chimiste suédois Svante August Arrhenius partageait cette idée à
cette époque. Le mot panspermie fut introduit par le biologiste allemand Hermann Richter.
Selon ces savants, les premières molécules organiques complexes présentes sur la Terre
proviendraient de l’espace et auraient été véhiculées par le bombardement de météorites.
L’analyse chimique du météorite Murchison (tombé près de Murchison, Victoria, Australie, le
28 septembre 1969), a révélé la présence de plus de 90 acides aminés différents, dont 19
correspondant à ceux des organismes vivant sur la Terre. Ainsi il est admis que les comètes et
d'autres corps extérieurs à notre système solaire contiendraient de grandes quantités de
composés carbonés complexes. Cette hypothèse, quoique très attrayante, ne fait que repousser la
recherche de l’origine des premières molécules biologiques d’où la vie a pu apparaître.
Bibliographie
Arrhenius S. 1987. Worlds in the Making. London : Harpers in Earth, Moon and Planets (1908).
37 : 187-99
Bernal J.D. 1949. The Physical Basis of Life. Proc. Royal Soc. London 357A : 537-558
Dyson F. 1985. Origins of Life. Cambridge University Press
Fox S.W. & Harada K. 1961. Synthesis of Uracil under Conditions of a Thermal Model of
Prebiological Chemistry. Science 133(3468) :1923-4
Goldschmidt V.M 1952. Geochemical Aspects of the Origin of Complex Organic Molecules on
the Earth, as Precursors to Organic Life. New Biol. 12 : 97-105
Haldane J.B.S. 1929. The Origin of Life. Rationalist Annu. 148 : 3-10
Haldane J.B.S. 1954. The origin of life. New Biol. 16 :12-27
Miller S.L. 1953. A Production of Amino-acids under possible Primitive Earth Conditions.
Science 117 : 528–529
Miller S.L. 1957. Mechanism of Synthesis of Amino Acids by Electric Discharge. Biochimica et
Biophysica Acta 23 : 480-489
13
Miller S.L. & Urey H.C. 1959. Organic Compound Synthesis on the Primitive Earth. Science
130(3370): 245-51
Miller S.L. & Urey H.C. 1959. Origin of Life. Science 130(3389): 1622-1624
Miller S.L., Urey H.C., Oró J. 1976. Origin of Organic Compounds on the Primitive Earth and
in Meteorites. J. Mol. Biol. 9(31): 59-72
Oparin A.I. 1924. Proiskhozhdenie Zhizny. In : Moskovski Rabochii, Moscow. Traduction :
Robinson, R. 1966. The Origin of Life. in : J. D. Bernal. Cleveland : World, 1967
Oro’ J. & Kamats S.S. 1961. Amino-acid Synthesis from Hydrogen Cyanide under possible
Primitive Earth Conditions. Nature 190 : 442-3
Ponnamperuna C. & Kirk P. 1964. Synthesis of Deoxyadenosine under Simulated Primitive
Earth Conditions. Nature 203 :400-1
Richter H.E. 1865. Zur Darwinschen Lehre, in Schmidts Jahrb. d. ges. Medizin, CXXVI, CIIL
(1870)
Thomson W. (Lord Kelvin). 1894. On Geological Time. December 23, 1871. in : Lectures from
1866 - 1893. London : Macmillan and Co.
Urey H.C. 1952. On the Early Chemical History of the Earth and the Origin of Life. Proc. Natl.
Acad. Sci. USA. 38(4): 351-63
14
Web 2 Fiche 2.6
CYCLE DE CALVIN
G. Ona-Nguema, C. Roose-Amsaleg et P. Bauda
Le cycle de Calvin est réalisé par les organismes autotrophes ; il conduit à une production de
molécules organiques à plusieurs carbones à partir du CO2. Son bilan montre que :
6 CO2 + 12 NADPH + 18 ATP  C6H12O6 + 12 NADP+ + 18 ADP
℗ désigne le groupement phosphate.
15
16
Web 2 Fiche 2.7
VOIE DE LA SÉRINE
G. Ona-Nguema, C. Roose-Amsaleg et P. Bauda
La voie métabolique de la sérine est utilisée par de nombreux microorganismes hétérotrophes et
méthylotrophes pour assimiler le carbone(*). Le pyruvate peut provenir du catabolisme du
glucose soit via la glycolyse, soit par la voie d’Entner-Doudoroff. Le nombre de molécules x
d’ATP et y de NAD(P)H,H+ dépend de la voie de dégradation du glucose utilisée (cf. Fiches 2.2
et 2.4). En violet sont représentées les réactions impliquées dans le cycle de Krebs. À noter que
FP = Flavoprotéines (FMN ou FAD) et FPH2 = Flavoprotéines réduites (D’après J.H. Scott et
K.H. Nealson, 1994).
Bibliographie
Kruger N.J. et von Schaewen A. (2003). The oxidative pentose phosphate pathway: structure
and organisation. Curr. Opin. Plant Biol. 6, 236 –246.
Scott J. H. et Nealsen K. H. (1994) A Biochemical study of the intermediary carbon metabolism
of Shewanella putrefaciens. J. Bacteriol., 76, 3408-3411
17
18
Web 2 Fiche 2.8
CHEMINÉES HYDROTHERMALES
L. Paolozzi
Ce type d’environnement est décrit ici car il représente un écosystème extrême particulièrement
intéressant. Les cheminées hydrothermales, ou fumeurs, sont des formations géologiques
localisées à des profondeurs marines comprises entre 700 et 4 000 mètres, et situées
généralement dans des zones de forte activité tectonique comme les dorsales médio-Atlantique
et du Pacifique oriental. Dans ces régions, le mouvement des plaques tectoniques crée sur le
fond de la mer des fissures de quelques kilomètres de profondeur qui donnent lieu à la formation
de chambres magmatiques à travers lesquelles le magma remonte vers la surface. Ce dernier se
refroidit lors de cette poussée vers le fond de la mer, et sa rétraction laisse des anfractuosités
dans la croûte océanique, tandis que sur sa surface s’érige une sorte de cheminée formée par la
solidification du matériel magmatique expulsé. L'eau de mer, qui est à environ 2 °C, s'infiltre
dans ces anfractuosités et se réchauffe en s’approchant du magma, qui lui est à une température
de 1 200 °C. Sous l'effet de la pression, l’eau chaude remonte vers le plancher océanique sous
forme d’un fluide hydrothermal, qui sort de la cheminée. Ce fluide est caractérisé non seulement
par une température élevée et un pH acide, mais aussi par des grandes concentrations de gaz
+
2+
2+
2+
dissous (H2S, CH4, CO, CO2, H2) et d'ions métalliques (Si , Mn , Fe , Zn ), ainsi qu'une
absence d'oxygène.
Il existe deux sortes de fumeurs, qui se différencient par leurs modalités de formation, leur
température, leur contenu en minéraux et d’autres caractéristiques. Le premier type, le fumeur
noir, est ainsi désigné en raison de sa forte concentration en fer et en manganèse ; il émet de
l’eau sulfureuse à très haute température (350 °C). Le liquide thermal du fumeur noir ne subit
pas de dilution par l’eau de mer avant son émission sur le fond de la mer. Le second type de
fumeur, dit blanc, est caractérisé par une cheminée de carbonate blanc, et un fluide thermal à
une température comprise entre 150 et 270 °C. Ce liquide subit, avant son émission, une
diminution de température et une dilution de ses composants chimiques par le mélange avec
19
l’eau de mer. À peu de distance d’un fumeur blanc par exemple, la température passe de 90 à
40 °C.
Dans les deux cas, il y a un fort gradient décroissant de température de l’intérieur du fumeur
vers l’extérieur, ce qui conduit à former une série de micro-environnements à diverses
températures, dont certains sont propices au développement de micro-organismes thermophiles,
et d’autres à celui d'hyperthermophiles.
20
Web 2 Fiche 2.9
RÉPONSES DES PROCARYOTES À LA PRESSION
L. Paolozzi
Quels sont les problèmes posés par la pression au développement des procaryotes ? D’une façon
générale, l’augmentation de la pression diminue la capacité des enzymes à se lier à leur substrat.
Pour un organisme non adapté à ces conditions, la synthèse protéique, ainsi que les activités
liées à la membrane, sont bloquées. Il faut tenir compte, d’autre part, du fait que la barophilie,
associée aux grandes profondeurs marines, est concomitante de basses températures, puisque la
température de l’eau de mer à des profondeurs élevées est en moyenne de 2 °C. Dans ces
conditions la membrane tend à gélifier. Pression et température élevées sont deux facteurs de
déstabilisation de la structure quaternaire des protéines, et, d’une façon moindre, de leur
structure tertiaire. Les effets des pressions élevées et des basses températures se répercutent
aussi sur la synthèse des protéines et sur la structure de la membrane. L’adaptation aux
pressions élevées doit donc tenir compte de ces deux aspects.
Les organismes barophiles présentent une augmentation de la capacité de leurs enzymes à se
lier à leurs substrats. En outre, leurs membranes sont riches en acides gras non saturés. Enfin,
l’expression de nombreux gènes est contrôlée par la pression.
L'effet de la pression a été étudié chez E. coli, une espèce baro-tolérante (elle peut croître
jusqu’à une pression de 680 atmosphères). Une exposition de cette bactérie à 530 atm induit
l’expression de 55 gènes, dont 15 répondent aussi à des chocs thermiques : 11 à la chaleur (heatshock), et 4 au froid (cold-shock). La pression est le seul facteur de stress connu pouvant ainsi
induire l’expression simultanée de ces deux types de gènes. La pression induit aussi la synthèse
de certaines protéines heat-shock chez des cellules humaines en culture. De fait l’induction
simultanée de protéines heat-shock et cold-shock peut représenter une façon d’atténuer les effets
nuisibles de la pression (et/ou de la température) sur divers processus, dont l’intégrité de la
membrane, la traduction et la stabilité des macromolécules. La nature et la fonction des
protéines induites dans ces conditions mériteraient d’être approfondies.
21