Universite Libre de Bruxelles Annee academiqueFaculte des Sciences Appliquees 2005-2006

Resume de biologie animale et vegetale

Prof. Louis De Vos Nguyen Anh DungBIOL -G-101

Introduction

L’etude de la biologie commenca vraiment avec l’apparition du microscope invente par A.Leeuwenhoek.Dans la meme periode, R.Hooke invente lui aussi le microscope mais en Angleterre. Avec ces appareils,ils vont tenter de voir ce qui est invisble a l’œil nu.

Cependant, il faudra attendre environ 200 ans pour que T.Wirshows tire des conclusions et emetteun postulat important: ”Toute cellule provient d’une cellule existante”. Cela implique donc que lescellules ne naisssent pas a partir de rien.

Comment definit-on l’etat vivant? Qu’est ce que la vie? En effet, il est assez difficile de definirl’etat vivant, de faire la difference avec l’inanime.

Pour cela, on definit des caracteristiques de l’etat vivant:

– la croissance– la reproduction– la nutrition pour avoir de l’energie. Cela entraine la defecation (≡ elimination des elements,

aliments non assimiles par l’organisme) et l’excretion (≡ elimination des dechets produits apartir du metabolisme)

– la respiration (on capte l’oxygene, on oxyde les aliments et on produit de l’energie)– la circulation (distribution et repartition des aliments)

Et pour que tout cela marche, il y a aussi une regulation.

On peut voir que c’est caracteristiques se retrouvent bien dans le monde vegetal.Au niveau de la croissance et de la reproduction, ca semble assez clair. La nutrition est par contre

differente de la nutrition animale. De plus, il n’y a ni defecation ni excretion. La production d’energiese fait par la photosynthese. La respiration consiste en l’utilisation et la consommation de l’oxygeneet le rejet de dioxyde de carbone. Quant a la circulation, il s’agit de la circulation de la seve.

Une distinction doit egalement etre faite entre:

– heterotrophe (animaux et humains): qui mangent les autres– autotrophes (vegetaux): qui ne mangent personne, qui se nourissent tout seul.

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Chapitre 1

Les procaryotes

Les procaryotes sont les organites actuels les plus simples qui manifestent les caracteristiques dela vie. Ils sont depourvues de noyau et de tout organite delimite par une structure membranaire.

Les procaryotes comportent:

– Les eubacteries qui englobent la majorite des bacteries actuelles,– Les archeobacteries qui vivent dans des conditions environnementales extremes,– Les mycoplasmes qui sont de grandes tailles et se rapprochent des gros virus dont ils se dis-

tinguent par le fait qu’ils assurent leurs propres syntheses,– Les rickettsies qui ne se developpent que dans les cellules de vertebres. Ce sont donc des parasites

obliges,– Les cyanophycees qui sont des procaryotes autotrophes.

1.1 Importance des bacteries

Les bacteries jouent un role essentiel dans l’equilibre du monde vivant et presentent, a ca titre, demultiples interferences avec la biologie humaine.

Toutefois, l’aspect le plus souvent souligne est le role que certaines d’entre elles, dites pathogenes,jouent dans l’apparition de maladie.

Il importe cependant de ne pas oublier que la plupart des bacteries ne sont pas pathogenes. Cer-taines bacteries, dites symbiotiques, constituent des symbiotes indispensables au bon fonctionnementdu tube digestif. Chez l’homme, c’est l’Escherichia Coli qui transforme l’ensembles des detritus de ladigestion en une pate fecale.

Citons egalement le role fondamental de certaines bacteries, dites fixatrices d’azote, qui conver-tissent l’azote moleculaire N2 de l’atmosphere en azote assimilable NO2, NO3 ou NH3. Cette trans-formation est essentielle car aucun organisme vivant (sauf les bacteries fixatrices d’azote) n’est capabled’utiliser directement l’azote moleculaire.

Il existe aussi diverses bacteries assurant la decomposition des detritus organiques et permettantainsi le recyclage des constituants majeurs des etres vivants. On appelle fermentation, la degradationbacterienne des polysaccharides en alcool et CO2 et putrefaction, la degradation bacterienne desproteines et des acides nucleiques, cad des constituants azotes.

Notons pour finir qu’au cours de ces cinquante dernieres annees, les bacteries sont devenues desoutils extremement oerformants pour l’etude experimentale de la biologie cellulaire ou molleculaire etde la genetique.

1.2 Description d’une bacterie (E.Coli)

La bacterie E.Coli est la mieux connue actuellement pour plusieurs raisons:

– c’est un materiel biologiques inepuisable

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– elles se cultivent tres aisement au labo et ne sont pas pathogenes– on en connaıt de tres nombreuses souches mutees pour diverses fonctions– elles se reproduisent rapidement (temps de generation dans de bonnes conditions: 20 min)

Cette bacterie, en forme de batonnet, est de petite taille, 2µm de long pour 1µm de diametre.Elles ne forment jamais de spores et se deplacent a l’aide de filaments flagelles.

Quand on regarde la composition chimique de la bacterie en phase exponentielle de multiplication,on peut remarquer que 70 % de la masse totale est constitue d’eau (meme pourcentage pour la plupartdes cellules vivantes). L’eau est en effet indispensable au bon deroulement de la majorite des reactionsbiochimiques car elle est un dipole qui s’oriente dans un champ electrique, elle est un excellent solvant(cste dielectrique eleve) et sa chaleur specifique est elevee.

Les ions mineraux et les petites molecules organiques, qui representent 25 % de la masse sechesont extremement nombreux mais peu diversifies. Ces molecules constituent les materiaux de synthesenecessaires au metabolisme cellulaire.

Les proteines quant a elles sont tres diversifiees et representent pres de 50 % de la masse seche.Les acides nuceiques (25 % de la masse seche) comportent une seule espece d’acide desoxy-

ribonucleique (ADN) et quelques milliers d’especes d’acides ribonucleiques (ARN).Les macromolecules s’associent pour former des structures qualifiees d’organites.

1.2.1 La paroi

Toutes les bacteries sont entourees d’une paroi extensible constituee de mucopeptides propresaux procaryotes: les mureines qui sont des proteoglycanes cad des molecules constituees de longueschaınes de polysaccharides lies entre elles de maniere covalente par de courtes sequences de peptides.Les chaınes ainsi creees sont des copolymeres de deux hexoses amines: la N-acetylglucosamine (NAG)et l’acide N-acetylmuramique (NAM) qui forment de longues chaınes paralleles, pontees entre ellespar des sequences d’acides amines. (voir schema p6 en bas)

En bacteriologie, les bacteries sont souvent repertoriees selon leur affinite pour un reactif colore (cfrGram le danois). Les bacteries GRAM−, de loin les plus nombreuses, ne presentent pas cette affinite.Leur paroi comporte en plus de la mureine une couche externe de nature phospholipidique. Celle-cipossede les caracteristiques fondamentales d’une membrane biologique mais aussi des particularitestelles que la presence de porines (=canal proteinique) permettant la diffusion de petites molecules etla presence de glycolipides.

La paroi bacterienne constitue pour la cellule un veritable squelette externe qui oppose uneresistance aux liquides contenus dans la cavite qu’elle delimite. Chez les bacteries, la pression os-motique peut atteindre des valeurs de 5 a 20 atmospheres.

Le pouvoir pathogene de certaines souches bacteriennes est frequemment liee a l’existence deconstituants particuliers de la paroi, specifiques de ces souches.

Notons encore que parmi les antibiotiques qui representent un ensemble tres heterogene de sub-stances produites au depart des microorganismes et susceptibles de tuer ou d’inhiber le metabolismed’autres microorganismes, il en existe toute une gamme qui agissent directement au niveau de la paroides bacteries GAM+.

1.2.2 La capsule ou glycocalyx

Dans des conditions naturelles, de nombreuses bacteries sont couvertes par une enveloppe mu-queuse exterieure a la paroi: la capsule ou glycocalyx. Elle est composee principalement de carbohy-drates complexes, d’acides organiques ou encore de proteines riches en un acide amines particulier:l’acide glutamique.

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Cette capsule leur permet de se lier:

– a des surfaces inertes telles les dents ou les rochers qui tapissent le lit d’une riviere ou d’untorrent

– a des cellules eucaryotes– a d’autres bacteries par fusion des capsules et formation d’une enveloppe commune.

1.2.3 La membrane plasmique

Structure

D’un point de vue chimique, toutes le biomembranes sont composees de proteines et de phos-pholipides complexes. Ces phospholipides sont ds molecules amphiphiles et asymetriques presentantune extremite polaire, donc hydrophile, prolongee par deux longues chaınes aliphatiques fortementhydrophobes.

En phase acqueuse, de tels lipides s’organisent spontanement soit en micelles, soit en bilames oules chaınes aliphatiques se font face de maniere a minimiser les contacts entre ces chaınes et l’eau.Les couches hydrophobes des deux couches se font face. La membrane apparaıt donc comme un filmhydrophobe impermeable separant deux milieux hydrophiles. (voir schema p23 des notes en haut)

Une bonne representation est le modele en mosaıque fluide, propose par Singer et Nicholson en1972, qui presente l’avantage de tenir compte des fonctions d’echange de la membrane.Selon ce modele,la membrane plasmique est un systeme dynamiquedans lequel les les phospholipides sont animes demouvement. Ceux-ci tournent rapidement autour de leur axe et changent lateralemenr de place avecleurs voisins. Par contre, ils ne basculent pratiquement jamais d’une lame a la lame opposee. De tresnombreuses proteines derivent dans cet ”ocean” de phospholipides, se dispersent de facon aleatoire ouau contraire, se rassemblent en divers endroits. Celles-ci sont soit des transporteurs, soit des recepteursde signaux, des enzymes ou des canaux ioniques.

Les proteines membranaires sont soit integrales, cad qu’elles traversent la bilame de part en partune ou plusieurs fois, soit extrinseques, cad partiellement inserees dans la bilame.

Controle et realisation des echanges avec le milieu

Il y a deux types d’echanges: soit passifs, soit actifs.

Les echanges passifs sont tous ceux qui tendent a retablir l’egalite des concentrations et des chargeselectriques de part et d’autre de la membrane. Ils ne necessitent pas d’energie. Ils s’effectuent pardiffusion simple, par osmose, ou par diffusion facilitee, soit a travers les bilames de phospholipides,soit par des canaux proteiniques.

La diffusion simple correspond au deplacement de la matiere sous l’effet des mouvements brow-niens. Compte tenu du caractere statistique de l’agitation thermique, le nombre de molecules quittantune region est proportionnel a la concentration de cette molecule dans la region. La diffusion corres-pond donc au passage de molecules ou d’ions, du cote ou leur concentration est elevee vers le cote ouleur concentration est plus faible.

Dans le cas des ions, le passage repond non seulement au gradient de concentration, mais a toutedifference de potentiel entre les deux faces de la membrane. Cette diffusion simple suit la Loi de Fick:

Ji = −DiAdCi

dα

ou Ji est le flux, Di le coefficient de diffusion, A la surface et dCidα le taux de variation de concen-

tration en fonction de la distance.Il faut remarquer que le coefficient de diffusion depend de l’affinite de la substance diffusible pour

la bilame hydrophobe. L’eau est quasiment le seul compose qui diffuse librement. C’est pourquoi onqualifie la membrane plasmique de semi-permeable.

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L’osmose peut etre assimilee a la diffusion mais, dans ce cas, le flux est limite au solvant, cad a l’eau.Elle tend a egaliser les pressions de part et d’autre de la membrane. La pression osmotique entraineun flux d’eau a travers une membrane generalement semi-parmeable, du cote a faible concentrationen substances dissoutes vers le cote a haute concentration.

La pression osmotique d’une solution depend uniquement du nombre de particules dissoutes etnon de leurs poids ou de leurs charges.

Suivant que la pression osmotique du milieu est superieure, egale ou inferieure a celle de la cellule,on parle de milieu hyper - iso ou hypotonique.

En milieu fortement hypotonique (concentration dans la cellule superieure a la concentration dumileu), la penetration d’eau aboutit le plus souvent l’eclatement de la cellule.

En mileu fortement hypertonique, toute cellule perd une partie plus ou moins importante de soneau et diminue de volume. Au-dela d’un certain taux, la perte d’eau entraıne la mort de la cellule:c’est la plasmolyse.

La diffusion facilitee par des transporteurs est egalement assure par un gradient de concentra-tion electrochimique. Certaines petites molecules hydrophiles se lient temporairement a une proteinetransporteuse (parfois appelees permeases) pour traverser la bilame de phospholipides. La diffusionfacilitee est specifique cad que chaque proteinene vehicule qu’un type de molecule.

Les transports actifs sont tous ceux qui augmentent la dyssimetrie des concentrations et/ou descharges electriques. Ils sont mis en œuvre par des proteines specialisees qui ne peuvent fournir detravail que si elles disposent d’une source d’energie. Celle-ci est fournie le plus souvent sous formed’adenosine triphosphate (ATP).

Oxydations phosphorylantes

Chez les bacteries aerobies qui requierent de l’oxygene pour la production d’energie, la membraneplasmique est le siege de la respiration cad de l’ensemble des reactions de phosphorilations oxydativesdont le bilan est:

Glucose+O2 −→ CO2 +H2O + Energie

ADP + Pi + Energie −→ ATP

Chez un certains nombre de bacteries GRAM+, la respiration est localisee au niveau d’invagina-tions membranaires: les mesosomes.

1.2.4 Les ribosomes

Les ribosomes sont des organites essentiels car ils sont le siege de la synthese des proteines. Cesont des particules subspheriques formees d’une petite et d’une grosse sous-unite et constituees par60 % d’ARN et 40 % de proteines. (voir schema p11 milieu)

Il peut sembler etrange que la somme des ”s” des deux sous unites ne fassent pas le nombre de ”s”du ribosome mais cela est normal et est du au fait que le ribosome a son propre nombre de ”s”. L’unite”s” est le Svedberg qui donne les caracteristiques de centrifugation, sur la masse de la particule.

Les ribosomes des procaryotes est essentiellment semblables a ceux des eucaryotes, mais ils sontplus petits. Chez E.Coli, leurs constantes de sedimentation sont respectivement de 70s pour le ribosomecomplet, 30s pour la petite sous-unite et 50s pour la grande. La sous-unite comprend 21 proteines etun ARN de coefficient de sedimentation 16s et la sous-unite 50s comprend 34 proteines et deux ARNdont le coefficient de sedimentation sont respectivement de 23s et 5s.

Dans un procaryote, on denombre de 20 a 30000 ribosomes. Certains sont libres et inactifs alorsque ceux qui sont le siege de la synthese des proteines sont groupes en courtes chaınes appeleespolysomes.

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1.2.5 L’ADN bacterien

Le centre de la cellule procaryote est occupe par une molecule geante bicatenaire d’ADN annulaire,fortement pelotonnee sur elle-meme et fixee au moins en un point a la membrane plasmique. On laqualifie de nucleoıde.

Chaque brin de cette molecule comporte environ 3.106 nucleotides. Ceux-ci sont constitues d’unebase azotee (purine (adenine ou guanine) ou pyrimidine (cytosine ou thymine)), d’un sucre (desoxeribose)et d’un groupement phosphate.

L’association d’une base azotee et d’un sucre constitue un nucleoside. On en compte quatre:adenosine, guanosine, cytidine et thymidine.

Par addition d’un groupe phosphate au carbone 5’ du sucre, on obtient un nucleotide egalementau nombre de quatre: ”nom du nucleotide + phosphate”.

L’ADN (acide desoxyribonucleique) est un polymere de desoxyribonucleotides.La liaison des nucleotides se fait au niveau du sucre et du groupement phosphate (il est attache au

carbone 5’ du sucre). La polymeration des nucleotides se realise entre le groupe phosphate (attacheau carbone 5’) d’un nucleotide et le carbone 3’ du nucleotide suivant.

L’ADN possede les caracteristiques suivantes:

– la liaison internucleotiques est de type 3’-5’– cette liaison assymetrique lui donne une orientation (extremite 3’ et extremite 5’)– le squelette est une alternance de sucres et de phosphates– les bases azotees forment les bras lateraux de la chaıne

Les bras lateraux sont relies par des liaisons faibles non covalentes mais suffisantes pour maintenirune cohesion. Aussi, l’orientation de deux chaınes complementaires est opposee ⇒ chaınes antipa-ralleles.

Le modele de Watson et Crick

Ils ont represente l’ADN par deux longues chaınes de nucleotides enroulees l’une autour de l’autreen helice (double helice) ou les parties hydrophobes des bases azotees evitent au maximum le contactavec l’eau car elles sont situees au sein de la molecule.

Les bases sont unies par des liens hydrogenes specifiques: l’adenine est toujours liee a la thyminepar deux liaisons hydrogenes et la guannine a la cytosine par trois liaisons. C’est le principe decomplementarite des bases.

On a que la torsade des brins n’est pas symetrique. On a donc un sillon dit ”majeur” et un sillon”mineur”.

1.2.6 L’hyaloplasme

Il s’agit de la partie non visible de la bacterie et qui consiste en une solution tres complexe demolecules, dont des proteines enzymatiques et ribonucleotides, et d’ions.

1.2.7 Autres organites

Ceux mentionnes ont un role important chez certaines bacteries mais font totalement defaut chezl’homme.

– les flagelles sont des expansions filiformes qui leur permettent de se mouvoir. Ils sont constituesd’une proteine contractile: la flagelline.

– Les pili qui sont des expansions tubulaires rigides constituees d’une proteine: la piline. La plupartparticipe a l’adherence de la bacterie a divers substrats.

– Les chromatophores sont des invaginations de la membrane plasmique qui forment des sacculesou des empilements lamellaires et qui contiennent en particulier les pigments.

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– Les plasmides sont des petites molecules d’ADN annulaires qui portent un nombre limites degenes et dont la replication est independante de celle de l’ADN principal. Ils peuvent porter lesgenes responsables de la conjugaison de la resistance aux antibiotiques. Ces plasmides peuvents’integrer ou s’exciser de l’ADN pricipal mais egalement passer par conjugaison dans une bacterieetrangere. Cette faculte fait des plasmides un outil essentiel de la genetique moleculaire maispeut egalement devenir un fleau (cfr resistance aux antibiotiques).

1.3 Les virus

Les virus sont constitues des memes macromolecules que les cellules vivantes mais ils n’ont pas demetabolisme propre et ils sont donc incapables de se reproduire. On les considerent donc comme desobjets biologiques, non vivants qui se font reproduire par des cellules dont ils alterent le fonctionne-ment. Ils sont donc des parasites intracellulaires et peuvent causer des maladies graves.

Certains virus sont parasites des bacteries, ce sont les bacteriophages ou phages.La forme infectieuse des virus est appelee ”virion”.A quelques exceptions pres, les virus sont constitue exclusivement d’un ADN (virus a ADN) ou

d’un ARN (virus a ARN) central et d’une capside formee d’une ou plusieurs proteines. Le genomeviral contient une seule molecule d’acide nucleique lineaire ou circulaire.

La coque des virus est appelee capside. Elle se compose d’un grand nombre de sous-unites peuvariees, nommees capsomeres.

Certains virus ont des structures accesoires, comme une enveloppe par exemple, qui leur per-mettent d’infecter leur hote. Ceux qui ne possedent pas d’enveloppe sont qualifies de nus.

L’absence de tout appareil de synthese chez le virus les rend totalement insensibles aux sub-stances qui interferent avec les biosyntheses.La seule arme qui peut agir contre les virus est le systemeimmunitaire.

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Chapitre 2

La synthese des proteines

2.1 Importance des proteines

Les proteines constituent generalement plus de 50 % du poids sec des cellules animales. Ellesremplissent de nombreuses fonctions parmi lesquelles: la fonction d’enzymes, d’hormones, de toxines,de proteines structurales, contractiles, de transport ou encore immunologiques.

Ce sont toutefois les enzymes qui constituent la classe des proteines la plus importante et la plusdiversifiee. Ceux-ci sont des catalyseurs qui permettent aux reactions biochimiques de se deroulerdans des conditions de temperatures et de pression compatibles avec la vie, a une vitesse controlee etnon explosive et d’une maniere specifique.

En outre, ces molecules se retrouvent intactes a la fin de la reaction et peuvent donc servir unnombre illimite de fois.

2.2 Structure de proteines

Les proteines sont des coploymeres d’acides amines (AA).Chez l’organisme vivant, il existe 20 AAqui different entre eux par le radical R qui peut etre basique, acide, polaire neutre ou non polaire.Les AA sont des molecules chirales et asymetriques. (cfr image acide amine p21 en bas)

A partir de ces 20 AA, les organismes vivants peuvent construire des milliers de proteines differentes.La condensation de deux AA forme un dipeptide qui implique l’etablissement d’une liaison peptidiqueentre le groupement carboxyle d’un AA et le groupement amine du suivant et l’elimination d’unemolecule d’eau. (cfr schema p21 en bas)

Cette liaison presente deux caracteristiques essentielles: il s’agit d’une structure plane et le carboneasymetrique (carbone α) qui porte a la fois le radicalNH2 et COOH offre une articulation libre autourde laquelle les radicaux peuvent pivoter librement. (cfr schema p22 haut)

Les polypeptides sont de longues chaınes d’acides amines. La plupart en contiennent de 100 a 300.L’AA d’une des extremites d’un peptide a un groupement amine intact, cette extremite est appeleeN terminal. L’extremite opposee, appelee C terminal, a un groupement carboxyle intact.

On fait la distinction entre oligopeptide, forme de moins de 30 AA, et polypeptide en possedantde 40 a 1000.

Les proteines sont des unites fonctionnelles formees d’une ou plusieurs chaınes polypeptidiques.La conformation des proteines comporte quatre niveaux d’organisation structurale.La structure primaire est la sequence lineaire ordonnee de ses acides amines. Elle est orientee et

polarisee puisqu’une de ses extremites presente en groupe NH+3 terminal libre et l’autre un groupe

COO− libre.La conformation tridimensionnelle due a la rotation possible autour du carbone α est definie par

les structures secondaires et tertiaires (imposees par la primaire).La structure secondaire est un arrangement regulier du a des liaisons hydrogene qui s’etablissent

entre les residus d’acides amines. En raison des angles de liaison caracteristiques du lien peptidique,

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la chaıne polypeptidique tend a adopter une structure en helice ou en feuillet.L’helice α, type le plus commun de strucure secondaire, resulte des liaisons hydrogenes qui

s’etablissent entre le groupement amine NH d’une liaison peptidique et le groupement carboxyleCO d’une autre liaison de la meme chaıne. Dans ces helices, les radicaux des AA sont tournes versl’exterieur et sont de ce fait susceptibles de reagir avec le solvant ou avec d’autres molecules voisines.

Les feuillets plisses β forment le deuxieme type important de structure secondaire. Dans ce cas,la proteine se replie en formant des feuillets paralleles. Des liaisons hydrogenes se forment egalemententre des groupements amine et carboxyles mais les residus d’AA appartiennent soit a des chaınesdifferentes soit a des segments eloignes de la meme chaıne qui de ce fait se trouvent rapproches.(schema p23 haut)

Une meme proteine peut presenter la strucure en helice et en feuillet. C’est notamment le casdes proteines transmembranaires ou les helices α sont generalement transmembranaires tandis queles feuillets β forment les coudes extramembranaires. Les helices α, enroulees comme des ressortspossedent une certaine elasticite tandis que les feuillets β sont inextensibles.

La structure tertiaire est la configuration tridimensionnelle globale adoptee par chacune de chaınesconstitutives de la proteine (schema p23 bas). Elle est fortement influencee par trois types d’interac-tions entre les radicaux des differentes parties de la chaıne.

– les liaisons ioniques entre radicaux charges positivement– les liaisons disulfures covalentes unissant les atomes de soufre de deux residus de l’AA cysteine– les interactions hydrophobes attribuables a la tendance des radicaux non polaires a se regrouper

a l’interieur de la molecule.

La fonction d’une proteine repose sur sa configuration spatiale ainsi que sur sa capacite a re-connaıtre d’autres molecules et de s’y lier specifiquement.

La structure quaternaire resulte de l’association structuree de plusieurs chaınes polypeptidiquessynthetisees separement.

2.3 Origine et transfert de l’information

2.3.1 La transmission bacterienne: role de l’ADN

C’est grace a des souches bacteriennes (S smooth pathogenes et R rough non pathogenes) quel’importance de l’ADN a ete mise en evidence.

Ils ont remarque que si on cultive des bacteries de souche R en presence d’ADN purifies a partir desbacteries de souche S, certaines bacteries sont transformees en bacteries S. Ces bacteries transformeestransmettent le nouveau caractere a leurs descendants.

2.3.2 Mise en œuvre de l’information

Les premiers chercheurs ont compris que l’information n’etait pas transmise directement de l’ADNaux proteines. En effet, chez les eucaryotes, l’ADN se trouve dans le noyau alors que les proteinessont synthetisees dans la cytoplasme, au niveau des ribosomes.

De fait, un autre acide nucleique, l’ARN (acide ribonucleique) joue le role d’intermediaire. Ce rolea ete mis en evidence en montrant la correlation entre la quantite d’ARN et l’activite de synthese desproteines.

Il faut remarquer que l’ARN possede des proprietes tres differentes de l’ADN: il est en generalmonocatenaire, il contient du ribose et non du desoxyribose et la thymine est remplacee par l’uracile.

En outre, il existe trois types differents d’ARN qui jouent chaucn un role specifique dans le transfertde l’information a partir de l’ADN: l’ARN messager ARNm (3 a 5 %), de transfert ARNt (10 a 20%) et ribosomial ARNr (75 a 85 %).

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2.3.3 La transcription

La transcription correspond a la synthese d’un ARNm a partir de ribonucleotides isoles en pre-nant modele sur un segment d’ADN. Ce mecanisme respecte les lois d’appariement des bases (C-Get A-U). La synthese du brin d’ARN s’effectue par copolymerisation, cad l’addition successive deribonucleotides complementaires du brin d’ADN matriciel. Il necessite l’intervention d’une enzyme,l’ARN polymerase.

La transcription se deroule en trois etape: l’initiation, l’elongation et la terminaison.

L’initiation

Les regions de l’ADN qui signalent le debut de la transcription sont appelees promoteurs. ChezE.Coli, ces promoteurs comportent deux regions dont les sequences sont toujours les memes TGTT-GACA d’une part et TATAAT d’autre part.

L’ARN polymerase se fixe sur l’ADN au niveau d’un promoteur grace a l’un de ses sites actifs: lefacteur σ. C’est des lors la position du promoteur qui determine celui des deux brins qui sera lu. Cebrin est qualifie de brin matriciel. Losque le contact est etabli, l’enzyme deroule localement la doublehelice d’ADN et amorce la synthese de l’ARN. (schema p26 bas)

L’elongation

Apres avoir initie la transcription, le facteur σ se dissocie de l’ARN polymerase, tandis quela synthese des nucleotides se poursuit. Le sens de lecture de l’ADN est toujours de 3’ a 5’. Parconsequent, le sens de synthese de l’ARN forme est necessairement 5’ a 3’. Il est donc compose d’unechaıne complementaire du brin d’ADN transcrit.

L’ARN polymerase se deplace le long du brin matriciel dans la direction 3’-5’. Comme la chaıned’ARN en formation lui est antiparallele, l’elongation de l’ARN se fait dans le sens 5’-3’. Le brind’ARN en formation se detache de l’ADN au fur et a mesure de sa synthese, ce qui permet a l’ADNde tres vite retrouver sa structure bicatenaire.

La terminaison

L’ARN polymerase reconnaıt egalement les signaux de terminaison de la chaıne. La terminaisonde la transcription s’effectue generalement par la formation d’une structure en epingle a cheveux:deux segments riches en C et G constituent des sequences complementaires separees par une courtesequence non complementaire. La chaıne se termine par une serie de UUUUUU-3’. (schema p28 bas)

2.3.4 Le code genetique

Au cours de la transcription, l’ARN polymerase ne fait que transposer le langage nucleotidiquede l’ADN en un langage similaire, celui de l’ARN. Or au cours du transfert d’information, le langagenucleotidique est transforme en langage polypeptidique cad en un alphabet compose d’acides amines.La relation entre les deux alphabets n’est pas immediate puisque le premier comporte quatre lettrestandis que le second en comporte vingt.

L’experience a montre que les bases de l’ARNm sont lues par groupes de trois unites adjacentes.C’est a ces triplets que l’on a donne le nom de codon.

Toutefois, il faut noter que le nombre de combinaisons possibles de quatre bases prises trois a troiss’eleve a soixante-quatre. Quarante-quatre codons sont donc en principe excedentaires. Cet excedentest absorbe par le fait que trois codons dits codons stop ne correspondent a aucun acide amine etque certains codons, qualifies de synonymes, correspondent au meme acide amine. On dit pour cetteraison que le code genetique est redondant ou degenere.

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2.3.5 Decryptage du code genetique

Toutes les etapes de la synthese des proteines peuvent se derouler in vitro dans un systemecomportant des ribosomes, des ARNt, des enzymes d’activation, de l’ARNm et des acides amines. Sices derniers sont marques par des isotopes radioactifs, les bouvelles proteines pourront etre distingueesde celles introduites dans le systeme par leur marquage.

En fournissant a un tel systeme des ARNm artificiels, constitues d’un seul type de nucleotidesou de portions connues de deux ou trois nucleotides differents, et en analysant les proteines ainsiproduites, on a pu dechiffrer la relation code nucleique-code proteine et demontrer que ce code estcommun a tous les etres vivants. (schema p29 haut ou p62 des notes)

2.3.6 La traduction

L’ARNm est appele messager car il intervient comme une copie de l’ADN dirigeant la synthesedes proteines. Toutefois, il n’existe aucun mecanisme qui permet a un acide amine de reconnaıtredirectement son ou ses codons specifiques dans l’ARNm.

Les ARN de transfert

Ils constituent une classe de petites molecules formees d’environ 70 nucleotides. Tous presententune alternance de regions bicatenaire enroulees en helice et stabilisees par des liaisons hydrogene etdes regions monocatenaires. Globalement, ils ont une structure en forme de trefle et sont caracterisespar plusieurs sites actifs: un triplet de nucleotides appele anticodon, un triplet CCA, 3’ terminal, sited’attachement d’un acide amine (acylation) et des sites d’attachement de l’ARNt aux ribosomes.

Ils contiennent en plus des ribonucleotides a base A, G, C, U certain nucleotides a bases dites rarestelles l’inosine (I) ou la pseudouridine (ψ). Ces bases jouent un role specifique dans le reploiementde l’ARNt et constituent frequemment la troisieme base de l’anticodon. Cela explique que la liaisonentre codon de l’ARNm et l’anticodon de l’ARNt est moins strictes que celles qui existe qu sein d’unADN bicatenaire.

Ceci signifie aussi qu’un meme ARNt peut se lier a plusieurs codons qui ne different entre eux quepar leur troisieme base.

L’etape appelee activation des acides amines consiste a lier des AA a leur ARNt correspondant.Cette reaction est catalysee par une enzyme, l’aminoacyl-tRNA et consomme de l’energie sous formed’ATP. La liaison se realise entre l’extremite 3’ du ribose de l’adenosine et de l’ARNt et le groupementcarboxyle de l’AA.

Les differents ARNt possedent chacun une configuration tridimensionnelle differente ce qui leurpermet d’etre reconnu par l’amino-acyl-synthetase correcte et donc d’etre specifique a un AA.

Aussi, bien qu’il y ait 64 codons, il n’existe qu’une quarantaine d’ARNt. Ceci s’explique par lefait que pour de nombreux AA, le codon correspondant presente plusieurs synonymes au niveau dela troisieme base du triplet. Celui-ci assure une liaison moins ferme avec l’anticodon et autorise uneforme de ”wobbling” (oscillation).

Les ribosomes

Ceux-ci sont le siege de la copolymerisation des AA, cad de la synthese proteinique. Leur roleconsiste a assurer le bon positionnement des ARNT charges de leur AA vis-a-vis des codons desARNm et a etablir le lien peptidique.

Chacun comporte trois sites de liaison pour ARNt (site P, A et E), une enzyme assurant la liaisonpeptidique, la peptidyl-transferase et un site de liaison pour l’ARNm. (schema p31)

La traduction proprement dite

Comme la transcription, la traduction se deroule en trois etapes: l’initiation, l’elongation et laterminaison.

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L’initiation. Les ARNm contiennent a leur extremite 5’OH des sequences initiatrices de la traduc-tion. Une de ces sequences est le codon UAG qui commande l’insertion de la methionine formylee quiest transportee par l’ARNt-fMet. Celui-ci n’intervient qu’au moment de l’introduction du premierAA et ne peut donc servir qu’au demarrage.

Sept bases en amont du codon AUG, une autre sequence impliquee dans l’initiation s’apparie aune region complementaire de l’ARNr 16s de l’unite 30s du ribosome. Cela permet la mise en placeprecise de la petite sous-unite ribosomiale. La synthese debute par la formation d’un complexe entrel’unite 30s du ribosome, l’ARNt-fMet et les sequences initiatrices. Cette etape consomme de l’energiesous forme de molecule de GTP et fait intervenir des facteurs d’initiation IF1, IF2, IF3... La grandesous-unite se fixe ensuite pour former le ribosome entier. (schema p32 haut)

L’elongation. Elle commence des que le ribosome entier est constitue. L’ARNt-fMet occupe a cestade le site P du ribosome, tandis qu’un autre ARNt charge d’un AA insere le deuxieme AA de lafuture chaıne polypeptidique au niveau du site A. C’est la peptidyl-transferase qui unit ces deux AApar un lien peptidique. Ces evenements sont suivis par l’expulsion de l’ARNt initiateur du site E vesrle cytoplasme et de la progression du ribosome le long de l’ARNm sur une distance correspondant aun codon.

Simultanement, la chaıne naissante passe du site A au site P tandis que le site A libere exposele troisieme codon du messager. Ce processus se reproduit chaque fois qu’une liaison peptidique estetablie. Ainsi, le ribosome va parcourir l’ARNm codon par codon dans le sens 5’→3’.

L’elongation necessite l’intervention d’une molecule energetique: le GTP et la participation defacteurs proteiniques d’elongation (EF1, EF2, EF3).(schema p32 bas)

La terminaison. Lorsque la translocation du ribosome expose un codon stop(UAG , UGA ouUAA) au niveau du site A, des facteurs proteiniques (facteurs de relargage) reconnaissant ces codonsviennent se fixer sur le site. Ceux-ci favorisent la liberation de la chaıne d’AA du dernier ARNt. Ledernier peptide est alors libere dans le cytoplasme de la bacterie, tandis que le ribosomese dissocie enses deux sous-unites qui deviennent redisponible pour participer a la synthese d’une nouvelle chaıne.(voir schema p33 milieu)

Tout comme la transcription, la traduction paut etre inhibee par des antibiotiques specifiques.

La fonction des ribosomes dans la synthese des proteines

La lecture de l’ARNm par un ribosome assure plusieurs fonctions essentielles:

– elle confere un sens a la lecture car il se deplace dans un sens determine: 3’→5’– elle assure la linearite de la lecture– le ribosome ”demasque” les triplets successifs et verifie l’exactitude de la traduction du message.– le ribosome possede les sites de fixation: les sites A, P et E

Le mecanisme de glissement du ribosome a ete elucide tres recemment. Les deux sous-unites d’unribosome sont mobiles l’une par rapport a l’autre: tandis que l’ARNm se trouve ancre au niveau dela grosse sous-unite, la petite se deplace de la longueur d’un triplet puis revient a sa position initialeen entraınant l’ARNm de la longueur correspondante.

2.3.7 Roles des proteines dans la synthese des proteines

On a vu intervenir l’ARN polymerase, les proteines ribosomiales telles que la peptidyl-transferase,les amino-acyl-synthetases et les facteurs d’initiation, d’elongation et de terminaison.

On retrouve donc ici le dogme de Virchow: ”Toute cellule provient d’une cellule”.

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Chapitre 3

Genetique des procaryotes

3.1 La replication de l’ADN

L’ADN est constitue de deux chaınes de nucleotides formant une double helice. Dans cette edifice,les parties hydrophobes des bases azotees evitent le contact avecl’eau car elles sont situees au sein dela molecule.

La structure complementaire des deux brins d’ADN implique qu’il est logiquement simple d’enobtenir une replique, d’autant plus que les liaisons esters au sein d’une chaıne sont beaucoup plusstables que les liaisons hydrogenes qui lient deux brins ce qui permet a ces derniers d’etre separessans que la sequence de leurs bases ne soit alteree.

3.1.1 Caractere semi-conservateur de la replication

L’experience realisee par Meselson et Stahl sur E.Coli apermis de voir que la replication de l’ADNest semi-conservative, cad que on obtient deux molecules d’ADN en separant les deux brins de lamolecules mere, cahque brin servant alors de matrice pour la syntese d’une chaıne complementaire.(schema p35 bas)

Pour leur experience, Meselson et Stahl ont untilise de l’ADN ”lourd” fabrique en presence d’azotelourd qui s’incorpore dans les nucleotides. Si ensuite on transfert cet ADN lourd dans un milieu normalet qu’on laisse s’ecouler une periode qui lui permet de se diviser une seule fois, on constate que ladensite de l’ADN nouvelle generation est intermediaire entre le lourd et le normal. Ceci correspondau fait que cgaque molecule d’ADN est constitue d’un brin lourd et d’un brin normal, ce qui ne peutresulter que d’une replication semi-conservative.

3.1.2 Replication de la double helice

Comme les deux brins sont antiparalleles, la synthese de l’ADN pose plusieurs problemes. D’unepart, l’ADN polymerase ne travaille que dans un sens: l’addition de nucleotides a l’extremite 3’.D’autre part, elle est incapable d’initier la polymerisation. Par contre, l’ARN ploymerase, qui travailledans le meme sens que l’ADN polymerase, est, elle, capable d’initier la polymerisation par la mise enplace d’un premier nucleotide.

Le principe general de la replication comporte plusieurs etapes et fait appel a de nombreusesenzymes:

– La double helice d’ADN subit une despiralisation et un ecartement des deux brins. Deux enzymesparticipent respectivement a la despiralisation et a l’ecartement des brins par rupture des pontshydrogenes: la topoisomerase et l’helicase.

– La synthese de l’ADN commence par le synthese d’une courte chaıne d’ARN. Sur le brin 3’→5’(brin principal), une ARN polymerase (primase) entame la synthese d’une courte sequenced’ARN complementaire, l’amorce (primer)

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– L’ADN polymerase (III pour les procaryotes) prend le relais de l’ARN polymerase. A la suite decette amorce, l’ADN polymerase est capable d’ajouter des desoxyribonucleotides a l’extremitelibre 3’ de l’amorce et de poursuivre la synthese de l’ADN. La copolymerysationd’un brin d’ADNcomplementaire se poursuit sans dicontinuer le long du brin pricipal.

– Le brin complementaire est replique par fragments. Sur le brin oriente 5’→3’, appele brin re-tarde, la synthese ne peut s’effectuer a partir de l’extremite libre 5’. Aussi, la synthese su brincomplementaire commence par l’interieur de la fourche de replication cad aussi dans le sens3’→5’. Elle se deroule selon les memes modalites que sur le brin principal.Toutefois ceci implique que sur le brin retarde, la repliaction progresse par segments successifsau fur et a mesure que la fourche de replication s’ouvre. Il se forme une serie de segments dis-continus appeles fragments d’okasaki.Afin d’achever la replication , il convient d’eliminer les amorces, de reparer les egments laissesouverts et de lier entre eux les fragments d’okasaki. Ces etapes utilisent differentes enzymes:

– L’ADN polymerase II qui foncyionne comme une ribonuclease detruit les amorces sur lebrin principal et sur le brin complementaire.

– Une enzyme de reparation (ADN polymerase I) synthetise les segments complemenatiresde l’ADN monocatenaire qinsi expose en ajoutant des nucleotides par l’extremite 3’.

– Une ligase etablit la liaison internucleotique entre deux segments repares. La respiralisationde chaque paire de brins ainsi formes est assuree par une gyrase (topoisomerase).

L’ensemble des enzymes impliquees dans la replication sont associees sous forme d’un complexeappele replisome.Il semble bien etabli que les deux molecules d’ADN polymerase III, qui travaillent respectivementsur le brin principal et retarde (qui a fait auparavant un boucle) soient associees en tete-becheet forment un dimere qui fonctionne dans des directions opposees. De la sorte, la replication desdeux brins s’opere de maniere simultanee. (schema p36 bas)

La replication est un mecanisme qui doit etre extremement precis et depourvu d’erreurs. Letaux d’errer de l’ADN polymerase II est d’un nucleotides tout les 103 a 105 nucleotides ce qui estinacceptable car elle entraınerait un taux de mutations trop eleve au cours des divisions successives.Il existe un mecanisme d’autocorrection a l’aide d’enzymes correctrices qui ramene le taux a 10−7

chez les bacteries et 10−9 a 10−11 chez les eucaryotes.Ce taux est tout a fait remearquable quand on sait que la vitesse de polymerisation est de quelque

1000 nucleotides/seconde.

3.1.3 La replication estr bi-directionnelle

La replication commence en un point precis de la double chaıne appele origine de replication (pointO). Deux fourches de replication se forment et progressent dans des sens opposes le long de la doublehelice. Dans la mesure ou le chromosome est circulaire, les deux fourches parcourent un demi-tour etse rejoignent du cote oppose au point origine. Chez les bacteries, la replication du chromosome estfait en une seule fois mais sous forme de deux demi-tours: on dit que le chromosome tout entier formeune unite de replication soit un seul replicon.

Quand on calcule la vitesse pour repliquer un chromosome (≥ 30min) et qu’on la compare aveccelle observee(≈ 20min), on voit qu’elles sont incompatibles. On en deduit qu’il y a probablementchevauchement entre plusieurs cycles de replication.

Ainsi, dans les cellules eucaryotes, il existe un grand nombre de points d’origine de telle sorte quela replication peut demarrer simultanement en plusieurs points sur chaque chromosomes.

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3.2 Les modifications de l’information: les mutations

3.2.1 La notion d’evenements aleatoires

On appelle mutation toute modification hereditaire de l’information contenue dans l’ADN, cadtoutemodification transmissible de l’ADN.

Les mutations sont aleatoires cad qu’elles se produisent au hasard. Ceci ne signifie pas qu’il existepour cet evenement une cause qui soit le hasard. Se produire au hasard signifie du point de buescientifique:

– il est lie a une causalite trop complexe pour qu’il soit possible d’analyser completement cettecausalite,

– il survient d’une maniere qui n’est pas individuellement previsible,– il survient dans des conditions definies, avec une frequence reproductible, qui peut etre connue

par l’observation ou l’experience.

Toutefois en modifiant certaines conditions, on peut modifier la frequence sans cependant lui faireperdre son caractere aleatoire.

3.2.2 Causes de mutations

Il y a trois grands types de mutations: par substitution, par insertion et par deletion d’un ou dequelques nucleotides.

Un des mecanismes particulier provoquant des mutations est la tautomerie. Certaines moleculeset notamment les bases azotees ne presentent pas en permanence la meme structure spatiale, maispeuvent exister sous diverses formes dites tautomeres.

Dans des conditions definies, une des formes tautomeres est cependant plus probable. Les autrestautomeres n’ont pas les memes proprietes notamment en ce qui concerne l’etablissement de liaisonshydrogenes entre elles.Par exemple, la guanine, dans sa forme habituelle, constitue trois liaisons avecla cytosine. Sa forme rare peut quant a elle constitue trois liaisons avec la thymine. On eput donc seretrouver avec un T a la place d’un C dans la chaıne d’ADN.

Des agents qui modifie la frequence relative de l’un ou l’autre tautomeres sont appeles agentsmutagenes.

Mutations par substitution

La tautomerie est a l’origine de nombreuses mutations par substitution dont les consequencespeuvent etre diverses. En effet, le remplacement d’une base au niveau de l’ADN modifie le codoncorrespondant en: un codon synonyme, cad codant pour le meme AA, un codon definissant un AAdifferent ou un codon stop.

Dans le premier cas, la mutation n’a aucun effet. On la qualifie de muette.Les consequences du remplacement d’un AA par un autre sont plsu ou moins importantes et

dependent du type de remplacement.Le troisieme type de substitution entraınantl’apparition prematuree d’un codon stop dans l’ARNm

conduira a la synthese d’une molecule tronquee a activite modifiee, reduite au nulle.

Mutations par deletion

La perte de quelques nucleotides est frequemment provoquee notamment par un rayonnementhautement energetique ou ionisant. Elle entraıne un decalage de tous les triplets ulterieurs (frameshift). C’est donc la totalite de la structure primaire de la proteine qui sera modifiee a partir du pointmute. On peut citer a titre d’exemple la mucoviscidose.

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Mutations par insertion

L’insertion de nucleotides entraıne un decalage de lecture pouvant aboutir parfois a un codon stopde maniere prematuree.

On peut aussi noter qu’il existe les mutations par inversion, par duplication et par translocation.(schema p42)

3.3 Multiplication des bacteries

3.3.1 La division binaire

La croissance d’une cellule bacterienne suivie de sa division en deux cellules filles est le mode dereproduction usuel chez les bacteries. Leur temps de generation est de l’ordre de 20 a 30 minutes pourE.Coli.

Au cours du processus de croissance, tous les constituants de la cellule se sont, soit multiplies,soit etendus. Lorsque la bacterie a atteint un volume critique, elle s’etrangle en son milieu, les deuxechevaux de l’ADN resultant de la replication se segregent tandis que la paroi se cloisonne sans perdresa cohesion mecanique. Il faut remarquer que pour assurer la division en 20 minutes, la replicationdoit se faire a la vitesse de 3000 nucleotides par seconde.

A l’issue de la division binaire, les deux cellules filles auront, sauf mutation, le meme patrimoinegenetique, ce patrimoine etant par ailleurs identique a celui de la cellule qui leur a donne naissance.

Les individus descendant d’une meme cellule et partageant le meme materiel genetique constituentun clone. (schea p44 milieu)

3.3.2 Croissance d’une population bacterienne

La courbe de croissance d’une population bacterienne en fonction du temps a une forme sigmoıde.Elle peut etre decomposee en quatre phases(schema p91 des notes):

– La phase de latence correspond a le phase d’adaptation des bacteries au milieu– La phase de croissance exponentielle est celle au cours de laquelle les bacteries doublent en

nombre a chaque temps de generation. cette phase de croissance peut etre traduite par l’expres-sion:

Nt = N0.2rt ⇐⇒ log2

Nt

N0= r.t

ouNt = nb de bacteries au temps t,N0 = nb de bacteries au temps t0,r =nb de generations par unite de temps,t le temps total (en heures).Pendant toute cette phase, l’accroissement de la population est proportionnel a son effectif:

dN

dt= r.N

– La phase de deceleration qui correspond a l’augmentation du temps de generation. Cetta aug-mentation est due a l’accroissement de la population bacterienne ce qui entraine la diminutionen concentration des nutriments et l’augmentation des dechets toxiques. Les bacteries doiventalors depenser plus d’energie pour absorber les nutriments et excreter les dechets, ce qui aug-mente le temps de generation.Dans un milieu fini (non renouvele) on appelle capacite portante K l’effectif maximum que laculture peut atteindre. Dans la phase de croissance, N est petit par rapport a K mais au fur

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et a mesure, que N augmente, la vitesse d’accroissement diminue jusqu’a devenir nulle quandN=K. Cela est traduit par l’equation logistique:

dN

dt=K −NK

.rN

– La phase de stagnation est celle pour laquelle N = K, cad que l’effectif a atteint la capaciteportante. Elle apparait quand un des facteurs essentiels du milieu est epuise; il est qualifie delimitant.Apres un certain temps, les bacteries vont soit mourir soit sporuler. La sporulation permet a labacterie de subsisiter a letat latent en renfermant la molecule d’ADN dans une spherule (spore)cytoplasmique ce qui la protege.

3.4 Culture des bacteries

La genetique est l’etude de la transmission des caracteres d’une generation a l’autre.L’analyse des caracteres se fait soit par observation, soit par analyse biochimique. L’analyse des

bacterie est interessante car le nombre de caratcteres est limite mais les fonctions biochimiques qu’ellespeuvent manifester sur un milieu donne sont tres nombreuses et tres variees. Il est donc essentiel debien definir les milieux de culture utilises.

3.4.1 Composition chimique des milieux de culture

On distingue trois types de milieu de culture:

– Les mileux minimums qui sont tres simples. Ils ne comportent que de l’eau, des cations (Na+,K+,Mg++,Ca++etNH++

4 ) comme source d’azote, des anions (Cl−,SO−−4 ,PO−−−4 ), certains ions al’etat de traces et une source de carbone et d’energie telle le glucose ou l’acide succinique.Du point de vue genetique, une bacterie capable de vivre sur un mileu minimu est dite sau-vage. Une telle bacterie devra synthetiser tous les monomeres necessaires a l’elaboration de sesmacromolecules.

– Les milieux complets qui comportent outre les constituants d’un milieu, tout un assortimentd’acides amines et de bases azotees.

– Les milieux speciaux qui sont destines a tester la sensibilite d’une souche bacterienne a unfacteur donne (milieu auquel on ajoute la substance a tester) ou sa capacite a synthetiser unelement essentiel (milieu dont on a soustrait un element.

3.4.2 Forme physique des milieux de culture

Les milieux peuvent etre soit liquides soit consolides.Les milieux liquides sont utilises pour la culture en masse.Les milieux consolides comportent en plus un gel macromoleculaire. Les bacteries sont alors etalees

sur ce gel et chacune d’elle, pour autant qu’elle se multiplie donne naissance a un petit amas d’aspectcaracteristique dit ”colonie”.

3.4.3 Isolement des bacteries

Technique des dilutions

A partir d’excrements humains, on peut isoler des bacteries E.Coli par dilutions successives dansdes milieu de culture jusqu’a 10 bacteries par millilitre. Si on verse cette derniere dilution dans unmilieu consolides, les bacteries vont s’y deposre au hasard.

Au cours de leur multiplication, les bacteries vont rester groupees et former des colonies au niveuade la bacterie initiale qui leur a donne naissance. Tous les individus nes d’une bacterie possedent saufmutation, le meme patrimoine genetique et constituent donc un clone.

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Technique des tampons de velours

Si l’on veut analyser ces clones, on pourra prendre une empreinte des clones de cette boıte a l’aided’un tampoon de velours et transplanter cette replique sur une nouvelle boıte contenant le milieuadequat(schema p47 milieu).

3.5 Principes de l’analyse genetique

Les caracteres les plus frequemment etudies sont les fonctions biochimiques des bacteries dans unmilieu donne.

On appelle fonction l’ensemble des reactions qui conduisent a la biosynthese ou a la biodegradationd’une molecule biologique. Ces reactions sont catalysees par une ou plusieurs enzymes elles-memessynthetisees par un segment d’ADN.

L’ensemble des segments d’ADN impliques dans la realisation d’une fonction constitue un genede fonction. Ceux-ci sont designes par un sigle de trois lettres ecrites en italiques majuscules si lafonction est normale et en italiques minuscules si la fonction est deficiente.

3.5.1 Notion de marqueur genetique

Les marqueurs genetiques sont des alleles ou des genes mutes qui permettent de caracteriser unorganisme ou une cellule grace a un phenotype determine. Il s’agit donc d’un segment d’ADN qui ayantsubi une mutation, peut retrouver sa fonction initiale a la suite de l’apport d’un segment equivalentd’ADN exogene.

3.5.2 Cartographie genetique

La position des genes sur l’ADN peut etre soit aleatoire soit orconnee.Dans le cas ou la localisation est aleatoire, la probabilite pour qu’un transfert d’ADN porte en

meme temps sur deux marqueurs donnes ne dependra que de la longueur des segments concernes etpas de leur nature.

Dans le cas ou est ordonnee, la probabilite que deux marqueurs soient transmis ensemble estd’autant plus grande que ces deux marqueurs sont proches l’un de l’autre.

Pour pouvoir choisir entre ces deux hypotheses, il faut pouvoir localiser les genes sur l’ADNbacterien cad faire de la cartographie genetique. L’outil qui permet de cartographier les genes est larecombinaison genetique.

3.5.3 Notion de recombinaison genetique

Il y a trois grandes techniques pour transmettre des informatons genetiques d’une bacterie a uneautre en trasnferant de l’ADN de la premiere a la seconde: la transformation, la conjugaison et latransduction.

La transformation

C’est un processus qui consiste a fournir de l’ADN purifie a une population bacterienne. Cepen-dant, la transformation bacterienne n’est guere utilisee dans l’etablissemnt d’une carte et ce pourdeux raisons: premierement, chez beaucoup d’especes bacteriennes, le transformation est inexistanteet secondement, il n’est guere possible de determiner au prealable la longueur du fragment d’ADNqui penetrera effectivement dans la cellule.

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La conjugaison

C’est le processus par lequel deux bacteries s’apparient. Au cours de cet appariement, l’une d’elle,la donneuse introduit son ADN dans la bacterie receptrice grace aux pili.

Un contact direct entre bacteries est necessaire pour obtenir la gonjugaison. Elle ne peut sefaire qu’entre une bacterie receptrice et une bacterie pourvu d’un facteur de fertilite initiateur de laconjugaison.

Ce facteur F est porte par un plasmide qui pet etre libre ou integre dans l’ADN bacterien.Les bacteries qui possedent un gene F insere dans un plasmide libre sont dites bacteries F+. Elles

ont une frequence de recombinaison faible de l’ordre de 10−6. Cependant, ce plasmide est transmistres efficacement par conjugaison entre bacteries et bacteries F−. Le contact physique entre bacteriesest assure par les pili de la bacterie F−.

Lorsque le plasmide portant le facteur F est integre dans l’ADN bacterien, les bacteries F+ secaracterisent par une haute frequence de recombinaison, de l’ordre de 10−2. On les appelle Hfr. Dansles croisements Hfr/F−, pratiquement aucun bacterie F− n’est convertie en F+ ou en Hfr (schemap49).

Lorsqu’une bacterie Hfr et une bacterie F− conjuguent, une nouvelle molecule d’ADN lineairecommence a etre synthetisee. Le point d’initiation de la synthese correspond a peu pres au niveau oule plasmide F+ est integre. C’est cette molecule neoforme qui va penetrer dans F−.

Dans la bacterie F−, certains segments provenant de la bacterie Hfr pourront s’inserer dans l’ADNde la bacterie receptrice et par-la meme, y restaurer certaines fonctions deficientes.

Ce transfert d’ADN de la bacterie Hfr vers la bacterie receptrice repond toujours a plusieurs regles:

– Le point d’insertion du plasmide F+ dans la bacterie Hfr pour une souche donnee est toujoursle meme.

– L’ouverture de la boucle d’ADN que constitue le chromosome bacterien se fait toujours ”enavant” du point d’insertion di plasmide.

– La vitesse de passage de l’ADN de la bacterie Hfr dans la bacterie F− semble uniforme tout aulong du transfert.

– Le transfert s’accompagne d’un phenomene de replication de sorte qu’un seul des deux brinspasse dans la bacterie receptrice.

Au cours de la conjugaison, il est rare que la totalite de l’ADN de la bacterie Hfr passe dans labacterie F− car la moindre perturbation provoque la separation des conjuguants. En particulier, il estexceptionnel que le gene F soit transfere. Des lors, dans le croisement Hfr/F− pratiquement aucunebacterie F− n’est convertie en F+ ou en Hfr.

On peut aussi avoir une conjugaison interrompue. En melangeant des Hfr et des F−, puis enrompant les contacts entre conjugants par agitation violente, on peut etudier la cinetique du transfertde l’ADN et sur cette base, etablir une carte genetique portant sur des segments tres longs de l’ADN.

Ces resultats permettent de preciser la sequence des genes et d’estimer la distance qui les separe.

La transduction

C’est le processus par lequel un virus parasite successivement deux bacteries et amene un fragmentd’ADN de la prmiere bacterie hote dans la deuxieme.

a)Cycle lytique d’un phageSi l’on infecte une culture bacterienne avec des phages T4, on observe la sequence de phenomenes

suivants:

– Le phage s’adsorbe sur la paroi bacterienne par ses fibres caudales, perfore la paroi grace a uneenzyme (le lysozyme), contenue dans la queue du phage, puis il injecte son ADN dans la bacterie(schema p50 haut + milieu).

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– Des qu’il a penetre dans la cellule hote, l’ADN viral induit la transcription et la synthese desproteines virales necessaires a la replication du phage, puis la synthese des proteines de lacapside.

– Il induit enfin la transcription et la synthese d’une proteine: le lysozime, responsable de la lysebacterienne. Cette lyse libere les virions et permet a l’infection de se repandre. En moyenne,une bacterie infectee par un virion libere une centaine de virions lorsqu’elle se lyse.

b)Cycle lysogene d’un phageDans certains cas, l’ADN viral une fois injecte dans la bacterie declenche un processus qui entrave

sa propre replication et s’integre a l’ADN bacterien dont il devient un segment appele prophage.Celui-ci est alors replique en meme temps que l’ADN et de fait, il constitue une partie du patri-

moine genetique de la bacterie.Les phages participant a de tels processus sont appeles phages latents ou temperes, tandis que

les bacteries renfermant un ou plusieurs prophages sont qualifiees de bacteries lysogenes (schema p51bas).

c)La transduction proprement diteLors de la perte de la lysogenie, l’excision du prophage ne se fait pas necessairement en respectant

les limites initiales. En effet, il arrive souvent qu’un prophage entraineun segment d’ADN bacteriendont la longueur peut atteindre un vingtieme de cet ADN.

Lors de la formation des virions, le materiel genetique sera constitue non seulement de l’ADN viralmais aussi d’un segment d’ADN bacterien. Il se constitue alors un phage transducteur qui pourrainfecter une nouvelle bacterie lysogene et lui injecter une partie de l’ADN de la bacterie donneuse.

Pour la plupart des virus, le prophage s’insere dans l’ADN bacterien a un locus precis, toujoursle meme. Le segment d’ADN transduit comportera donc les marqueurs bacteriens proches du locusd’insertion du prophage avec une frequence inversement proportionnelle a leur distance par rapporta ce point.

Il est donc theoriquement possible de dresser la carte des genes proches du point d’insertion d’unphage donne. Avec divers phages inseres en differents loci, on peut donc dresser de proche en prochela carte de tous les genes connus le long de l’ADN bacterien.

3.5.4 Carte du chromosome bacterien

Grace a ces methodes, des cartes tres detaillees ont ete etablies. Le marqueur genetique est d’abordlocalise dans un secteur par la technique du croisment interrompu (souche Hfr) puis sa position preciseest definie grace a des experiences de transduction.

3.6 La notion de complementation

Il arrive qu’en introduisant dans une bacterie deficiente pour une fonction, l’ADN d’une autrebacterie deficiente pour la meme fonction, on retablisse la fonction dans la bacterie receptrice. Ceciimplique qu’un gene puisse subir des mutations en differents site. Il est alors theoriquement possibled’etablir une carte de la structure fine du gene en procedant a des tests de complementation.

3.6.1 Experience de Benzer

Benzer a etudie la region rII du phage T4 responsable de l’activite lytique de ca phage. L’etudesystematique d’un grand nombre de recombinaisons entre phages deficients pour cette fonction aamene l’idee que les mutations se repartissaient en deux groupes A et B correspondants a deuxsegments differents d’ADN.

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La complementation entre deux phages tous deux mutes soit en A soit en B, ne retablit pas lafonction. Dans ce cas, les genes sont mutes en position CIS, cad dans les memes limites. Il en resulteque dans l’heterogenote, la fonction lytique n’est pas retablie (schema p55).

Au contraire, la complementation entre deux phages mutes l’un en A, l’autre en B retablit lafonction. Dans ce cas, les genes mutes sont en position TRANS. Il en resulte que la fonction lytiqueest retablie.

3.6.2 La notion de cistron

Un cistron est une unite genetique de fonction ou de complementation, au sein de laquelle deuxmutants ne peuvent se complementer qu’en cis-trans. Par extension, un cistron definit egalement uneregion d’ADN encodant une chaıne polypeptidique.

3.7 Regulation de la synthese des proteines: adaptation enzyma-tique

On peut classer les enzymes de microorganismes cultives dans divers categories en deux categories.Les enzymes constitutives presentes dans les cellules quelle que soit la composition du milieu de cultureet les enzymes inductibles que les cellules ne synthetisent qu’en presence de leur substrat dans le milieude culture.

Pour exemple, prenons le cas du lactose: Le catabolisme du lactose est de nature inductible. Si desbacteries cultivees sur un milieu depourvue de lactose, sont transferees dans un milieu qui ne contientque du lactose comme source de carbone et d’energie, la croissance de la population est interrompuependant une heure au moins (phase de latence) puis reprend.

Le catabolisme du lactose necessite au moins deux enzymes: la β galactosidase et la β galactosidepermease. La premiere hydrolyse le lactose en glucose et galactose tandis que le second fait entrer lelactose dans la cellule.

Si on compare des bacteries en phase exponentielle, les unes se developpant sur un milieu depourvude lactose, les autres sur un milieu lactose, on constate qu’il y a effectivement 1000 fois plus de βgalactosidase en milieu lactose.

Lorsu’on passe d’un milieu sans lactose a un milieu lactose, la synthese de la β galactosidase ainique de la β galactoside permease se fait pendant la periode de latence. Tout se passe donc comme sile lactose induisait la synthese de ces deux enzymes (schema p56).

3.7.1 Induction enzymatique: regulation de l’operon LAC

Constitution de l’operon LAC

Le gene LAC comporte des genes de structure mais aussi des genes de regulation qui ont pourunique fonction de controler l’expression d’autres genes. Le gene de la fonction LAC comporte: ungene inhibiteur (i), un site ”promoteur” (p), un site ”operateur” (o) et trois genes de structure (z-y-a)constituant l’operon (schema p56 bas).

L’operon est constitue de trois genes de structure contigus. Le gene z code pour la synthese dela β galactosidase, le gene y pour la β galactoside permease et le gene a pour la thiogalactosidepolymerase ou transcriptase qui vient s’inserer en amont de l’operon sur un locus nomme promoteur.Un tel ARNm est qualifie de polycistronique puisqu’il detient l’information necessaire a la synthesede plusieurs peptides.

Le promoteur est une sequence specifique d’ADN au niveau de laquelle se fixe l’ARN polymeraseou transcriptase. Lorsque le systeme est induit, les molecules d’ARN polymerase qui ecartent lesdeux brins d’ADN de l’operon et assurent sa transcription s’y succedent. Chacune d’elles entame lasynthese d’un ARNm dont la traduction se fera au niveau des ribosomes.

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Le gene inhibiteur situe en amont du promoteur code pour la synthese d’une proteine diffusable:le represseur. Celui-ci presente une structure tridimensionnelle caracteristique, dite helix-turn-helix.Il presente deux sites d’affinites, l’un pour le lactose et l’autre pour un segment particulier d’ADN:l’operateur.

L’operateur est une courte sequence regulatrice d’ADN situee entre le promoteur et l’operon quicontrole la transcription des trois genes de structure. En absence de lactose, le represseur se fixesur l’operateur, ce qui empeche la polymerase d’assurer la transcription de l’operon. Ce verrouillageexplique que dans un milieu sans lactose, il n’y a pas de synthese des enzymes inductibles.

L’induction enzymatique

Si l’on transfert des bacteries d’un milieu sans lactose dans un milieu qui en contient, pendant laperiode de latence, un peu de lactose penetre dans la cellule grace a une permease non specifique etse fixe sur le represseur (schema p57 haut).

Suite a cette modification, le represseur modifie sa configuration spatiale, ce qui lui fait perdreson affinite pour l’ADN. Des lors, le represseur lactose se detache de l’operateur, ce qui autorise lafixation de la polymerase et ainsi la transcription de l’operon.

Tout se passe donc comme si le lactose induisant la synthese adaptative des enzymes est necessairea son catabolisme. Le lactose est l’inducteur de la synthese adaptative. Si l’on transfere des bacteriesd’un milieu lactose vers un milieu qui en est depourvu, le lactose contenu dans les cellules est rapide-ment degrade par la β galactosidase encore presente. Quand la concentration cellulaire en lactose estdevenue suffisamment basse, le lactose se decouple du represseur qui retrouve alors son affinite pourl’operateur. Le systeme est alors reprime.

La repression catabolique carbonee

Il existe un second systeme de regulation qui est positif. Il controle l’ensemble des operons ducatabolisme carbone. Ce controle positif est connu sous le nom de repression catabolique.

Le sucre le plus simple, utilise comme source de carbone et d’energie par les bacteries, est le glucosedont le catabolisme ne requiert aucune induction enzymatique. En presence de glucose; les enzymesnecessaires au catabolisme des autres sucres, tels le lactose ou l’arabinose, ne sont pas induites.

De plus, la concentration en AMPc varie fortement en fonction de la presence ou de l’absence deglucose dans le milieu de culture. Tres basse en presence de glucose, la concentration en AMPc peutaugmenter de cinquante fois lors d’une carence en glucose.

L’AMPc intracellulaire exerce un controle sur l’activite de l’operon LAC par exemple en s’associanta une proteine activatrice du catabolisme, la proteine CAP (catabolic activator protein). Seule, laproteine CAP ne presente pas d’affinite pour l’ADN; mais associe en un complexe a l’AMPc, elle subitune modification allosterique qui la rend apte a se fixer sur une region determinee du promoteur.

En se fixant sur l’ADN, lr complexe CAP-AMPc entraine a son tour une modification allosteriquedu promoteur qui favorise la fixation de la transcriptase ou ARN polymerase.

La repression catabolique exercee par le glucose est un controle positif qui requiert outre la presencede l’inducteur, l’intervention d’un signal activateur: l’AMPc.

3.7.2 Regulation du gene tryptophane (TRP)

Corepression enzymatique

Vu que les bacteries peuvent se cevelopper sur un milieu minimum, elles sont donc capables desynthetiser les vingt acides amines qui entrent dans la composition des proteines. Cependant, lesbacteries ont developpe des mecanismes capables de reprimer la synthese des enzymes necessaires ala biosynthese de certains acides amines lorsque ceux-ci sont disponibles dans le milieu.

L’exemple considere sera celui de la tryptophane qui est un regulateur negatif de sa proporesynthese.

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Le gene de la fonction TRP comporte cinq genes de structure necessaires a la biosynthese de latryptophane et un gene inhibiteur qui code pour le sybthese d’un represseur qui seul, est incapablede se fixer a l’operateur. Si du tryptophane est fourni a la bacterie, il se couple au represseur et pareffet allosterique, le rend apte a se lier a l’operateur. La liaison du complexe represseur/tryptophanea l’operateur empeche la polymerase d’effectuer la transcription de l’operon.

La tryptophane agit donc comme un corepresseur du gene de la fonction TRP. Le represseur etantincapable d’agir seul, l’inhibition est levee lorsque la bacterie se trouve dans un milieu depourvu detryptophane.

Retrocontrole

En presence de tryptophane, la synthese des enzymes necessaires a sa production est interrom-pue mais egalement, l’activite des enzymes preexistantes n’est pas maintenue. L’induction et lacorepression enzymatiques ont pour effet de bloquer la synthese d’enzymes qui seraient inutiles ala cellule, soit parce que leur substrat fait defaut, soit parce que les substances dont elles catalysentla synthese sont fournies a la cellule.

La retro-inhibition agit de meme mais au niveau de l’activite des enzymes. L’etape initiale d’unechaıne de mecanismes est controlee par la possibilite, l’utilite ou le degre d’avancement de l’etapefinale. Les mecanismes assurant un tel controle sont appeles des retrocontroles ou feed-back.

L’installation de la lysogenie

Cette installation chez les phages temperes constitue un autre exemple de regulation de l’expressiondes genes. Cette regulation peut revetir des formes complexes et agir a la fois sur les brins de l’ADNdans des sens opposes.

Du point de vue genetique, la lysogenie implique trois stades: l’etablissement de la lysogenie, sonmaintien et sa perte.

Son maintien est assure par un represseur (λ) dont la synthese est codee par le gene CI. Lerepresseur λ peut se lier a OL (operateur gauche) et a OR (operateur droit), operateurs qui controlentla transcription des genes codant pour la synthese des proteines de la capside et la synthese desproteines necessaires a la synthese de l’ADN viral. Egalement, la fixation du represseur sur les sitesOR et OL renforce la transcription du gene CI.

La fonction du gene L est donc completement inhibee(??).L’inactivation du gene CI permet aux genes responsables de la lyse de s’exprimer, ce qui entraıne

l’excision du prophage et l’apparition du cycle lytique (schema p60 haut).

Quelques definitions

Le genome d’un organisme est l’ensemble des informations genetiques qu’il comporte.Le genotype definit la constitution genetique d’un caractere qu’il soit ou non exprime.Le phenotype definit le caractere reellement exprime. Il depend de l’ensemble des conditions

physico-chimiques du milieu et notamment des effets inducteurs ou represseurs qu’il peut avoir et dela constitution du genotype et des effets de dominance et de recessivite.

L’adaptation phenotypique individuelle: dans ce que nous avons vu plus haut, chaque bacterie a,individuellement, modifie son phenotype et non son genotype, de maniere a s’adapter a un nouveaumilieu cad a y vivre et a s’y multiplier avec une plus grande economie de matiere et d’energie.

3.7.3 L’adaptation genotypique ou adaptation statistique

Mise en evidence du phenomene

Si on transfert un grand nombre de bacterie E.Coli lac d’un milieu glucose a un milieu lactose, apresun certain temps de latence, la culture se developpe normalement. Fonctionnellement, il sembleraitque l’on ait des LAC. Se pose alors la question de savoir si l’aptitude a utiliser le lactose est apparue

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a point nomme sous l’influence du milieu lactose, ou si elle est apparue prealablement dans le milieuglucose ou elle etait inutile.

La mutation prealable a l’adaptation

L’apparition de souches resistantes a un phage dans une culture de E.Coli initialement sensibles,resulte d’evenements aleatoires anterieurs au contact entre les bacilles et les phages.

L’apparition de mutants resistants ne depend pas de l’exposition a l’agent auquel ils resistent etl’augmentation de leur frequence dans la population est le resultat d’une selection qui peut etre faitepar l’homme (experience de J. et E. Lederberg) aussi bien que par le milieu.

La frequence de cette mutation, en l’absence de traitemetn mutagene, est de 2.10−7.

La selection

Lorsqu’on transfere 109 E.Coli d’une souche lac cultivee sur un milieu glucose das un milieu lactose,il se produit trois phenomenes:

1. Les mutants LAC presentent l’adaptation phenotypique individuelle au nouveau milieu,2. ceci fait, ils se multiplient exponentiellement,3. quelque nombreux qu’ils soient a l’origine, les lac sont incapables de croıtre et de se multiplier.

Ils ne participent donc pas a la constitution de la nouvelle population.

Ces deux derniers phenomenes constitue la selection qui est la modification dirigee, non aleatoire,de la frequence relative des genotypes dans la population.

Certains aspects apparemment paradoxaux de la selection sont soulignes ici car ils peuvent fairesous-estimer le role capital de ce processus dans l’evolution.

– La selection est un phenomene directif mais dont la matiere premiere est constituee des individusmutes qui resultent eux d’un processus aleatoire.

– La selection est la survie differentielle des genotypes, en fonction de differences dans la valeuradaptative des phenotypes; ce n’est jamais que dans la mesure ou il s’exprime phenotypiquementqu’un gene peut voir sa frequence modifiee par la selection.

– A l’echelle individuelle, la selection apparait comme un phenomene destructif, puisqu’elle tuecertains individus ou les empeche de se reproduire. A l’echelle des populations, elle est unphenomene constructif, puisu’elle assure l’adaptation genotypique de ces populations a leurmilieu.

– Le role constructif peut etre conservateru ou novateur. Dans un milieu stable, la selection main-tient l’identite genetique de la souche bien adaptee en empechant la proliferation des mutantsqui le sont moins. Dans un milieu changeant par contre, nous avons vu qu’elle peut mener auremplacement d’une population par une autre, different.

3.7.4 La mesure de l’adaptation

Dans l’exemple du lac et LAC, l’adaptation etait une question de tout ou rien. Cepandant, lasituation n’est pas toujours un dilemne pur et simple. Il existe des E.Coli lacc ou les enzymes dusysteme lactose sont devenues constructives cad non repressibles, notamment a la suite de mutationssoit du gene inhibiteur soit du gene operateur.

En milieu lactose, LAC et lacc se reproduisent egalement bien. En milieu glucose, les LAC sereproduisnet plus vite que les lacc. La proportion en LAC dans la population augmente tres rapidement(allure exponentielle).

Dans ce cas ci, l’avantage selectif des LAC n’est pas absolu mais relatif. Elles sont plus adapteesque les lacc. C’est en comparant les vitesses de reproduction de deux mutants qu’on peut donner unemesure de l’adaptation de l’un par rapport a l’autre.

L’introduction dans le milieu d’un facteur selectif nouveau provoque alors, non pas de nouvellesmutations, mais une selection de mutants, qui sans arret, apparaissent spontanement.

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3.8 Resume recapitulatif

– Regulation negative– Agissant au niveau de la synthese enzymatique via un represseur

– Induction enzymatique (voies cataboliques)– Corepression enzymatiques (voies anaboliques)

– Agissant au niveau de l’activite enzymatique– Retrocontrole

– Regulation positive ⇒ regule l’efficaite du systeme via un activateur

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Chapitre 4

La cellule eucaryote

La plupart des cellules eucaryotes sont beaucoup plus grosses que les cellules procaryotes; ellescontiennent une grande variete d’organites limites par une membrane, dont le noyau. De plus, uneossature de fibres proteiques, le cytosquelette, qui s’etend a travers le cytoplasme donne sa forme ala cellule.

4.1 La membrane plasmique

4.1.1 La membrane plasmique est une structure essentiellement plastique et dy-namique

Cette membrane plasmique a une structure proche de la membrane des procaryotes. En effet,celle-ci est constituee de bilame de phospholipides complexes et de proteines. En plus de ceux-ci, lesmembranes plasmiques d’eucaryotes contiennent ordinairement des glycolipides, des glycoproteines etde grandes quantite de cholesterol. Ce dernier est un steroıde tres hydrophobe qui s’insere entre leschaınes aliphatiques des phospholipides. Sa presence empeche le tassement des chaınes aliphatiqueset reduit la fluidite de la bilame de phospholipides.

L’asymetrie est uen caracteristique importante des membranes biologiques.Les proteines presentent une mobilite laterale dans le plan de la membrane. En fonction de ses

besoins,, la cellule peut donc faire varier la distribution, le nombre et la localisation tant des proteinesque des lipides.

Parmi les lipides de la couche externe de la membrane, il y a les glycolipides dont certains aumoins agissent comme des recepteurs de reconnaissance et lient des molecules specifiques provenantde l’exterieur de la cellule. Ces composants peuvent etre des composants membranaires d’autrescellules, des hormones ou d’autres signaux chimiques.

On connait mieux les glycoproteines de la surface cellulaire qui agissent effectivement commerecepteurs et permettent entre autres fonctions la reconnaissance cellulaire.

Les membranes ont donc deux fonctions principales: elles constituent une barriere physique autourd’un organite cellulaire ou d’une cellule entiere et elles controlent le trafic de substances vers l’interieurou l’exterieur de la region qu’elles delimitent.

4.1.2 Les transports transmembranaires

Les membranes des cellules animales sont le siege de transports. Toutefois, les cellules animalessont depourvues de paroi rigide. Elles sont cependant soumises au meme probleme osmotique queles cellules vegetales ou les bacteries. Pour y faire face, celles-ci ont developpe plusieurs systemespermettant de regler a la fois la teneur en eau et la concentration ensubstances dissoutes dans leurcytoplasme et dans les fluides intersticiels.

Les unicellulairs (protozoaires) qui vivent tous en milieu aquatique ont developpe des organitesparticuliers, des vacuoles pulsatiles, dont le role est double: d’une part chasser hors de la cellule l’exces

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d’eau qui a tendance a y penetrer par osmose et d’autre part, eliminer certains dechets de la cellule.Chez les organites pluricellulaires, on trouve divers types de systemes dits excreteurs qui assurent

les memes fonctions en relation etroite avec le sang.Le transport actif est egalement present dans les membranes eucaryotes comme pour les proca-

ryotes.Un exemple du transport actif est celui du transport d’ions a travers la membrane de la cellule

nerveuse.La difference de permeabilite et des concentrations interne et externe entre le sodium et le potas-

sium cree une difference de potentiel entre l’interieur et l’exterieur. La difference de potentiel theorique(la ddp due a la difference de charge s’opposant au mouvement net de l’ion) pour un seul ion, ditpotentiel d’equilibre, peut etre calculee.

In vivo, le gradient de concentration et la difference de potentiel qui resultent des migrationsdifferentielles sont maintenus grace a l’existence d’un systeme de transport actif des ions sodium etpotassium: la pompe a Na+ et K+.

Il s’agit d’un complexe enzymatique intramembranaire capable d’hydroliser l’ATP et de trans-porter simultanement 3 sodium vers l’exterieur et 2 potassium vers l’interieur de la cellule dont uninhibiteur est l’ouabaıne. Ce type de transport est appele un systeme antiport.

Les proteines canaux qui servent de canaux a ions peuvent etre activees ou stimulees de diversesmanieres: Stimulation electrique, par un ligand, mecanique (organes des sens) ou par la proteine G.

(Si la motivation arrive d’un coup.. il y a d’autres exemples de transports actifs p136 des notes)

4.1.3 L’endocytose

Les eucaryotes sont capables d’ingerer de tres grosses molecules ou meme des particules plus grossesencore. Ces elements ne peuvent franchir la membrane en penetrant la bicouche ni en empruntant desmecanismes de transport proteique. Cette ingestion est possible grace a la fluidite de la membranequi lui permet de changer de forme et de s’invaginer pour former des vesicules d’endocytose. Lors del’endocytose, la tendance spontanee des bicouches lipidiques a former des surfaces continues entre enjeu et la membrane se ressoude automatiquement.

La phagocytose est un phenomene d’endocytose propre aux cellules animales, qui leur permetd’ingerer de grosses particules comme des bacteries ou des debris cellulaires. Cette ingestion est lieea la nutrition et est le mode principal d’alimentation des unicellulaires et de certains pluricellulairessimples.

Par exemple, l’amibe entoure sa nourriture de prolongements cytoplasmiques appeles pseudopodesqui se referment, fusionnent et enfermentla nourriture dans une vacuole a l’interieur de la cellule, laphagosome.

Cette phagocytose tend a disparaitre en tan que processus de nutrition des qu’apparait un systemedigestif. Cependant, chez les organismes superieures (particulierement chez les mammiferes), la pha-gocytose participe aux mecanismes de defense contre la maladie (ex: globules blancs macrophages).

Chez les vertebres, ce sont aussi les phagocytes (macrophages) qui nettoient l’organisme des debrisde cellules comme les globules rouges vieillis.

Egalement, l’endocytose participe fortment au renouvellement des membranes plasmiques. Si-gnalons enfin que, par l’intermediaire des recepteurs membranaires, l’endocytose permet de preleverselectivement des petits elements comme les lipoproteines ou des proteines.

La pinocytose est un type d’endocyte qui se caracterise par l’ingestion d’une petite portion deliquide extracellulaire et de macromolecules en solution. La membrane s’invagine, formant dans lecytoplasme un long canal etroit a l’extremite duquel des vesicules se detachent.

4.1.4 L’exocytose

Ce mecanisme se produit losrqu’une vacuole cytoplasmique fusionne avec la membrane plasmiquequi s’oubre ensuite a l’exterieur pour permettre a la vesicule de decharger son contenu (dechetsindigestes de nourriture ou secretion de produits de synthese de la cellule).

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Le jeu de la pinocytose-exocytose permet le transport au travers du cytoplasme de moleculespuisees dans le milieu par une face cellulaire et deversees dans un milieu de composition differentepar une autre face cellulaire.

4.1.5 Les microvillosites

Ce sont de minuscules prolongements digitiformes permanents de la membrane plasmique soutenuspar des microfilaments qui forment un veritable cytosquelette et qui augmente considerablement lasurface cellulaire.

4.1.6 Les jonctions cellulaires

Il y a deux types de tissus chez les animaux pluricellulaires: les tissus epitheliaux et les tissusconjonctifs.

Dans les tissus conjonctifs, les cellules sont enveloppees par une matrice extracellulaire importante.L’essentiel du volume d’un tissu conjonctif est occupe par la matrice et les cellules sont fortementdispersees. Cette matrice peut etre liquide, semi-solide ou solide.

Les tissus epitheliaux sont des tissu de revetement. Ils sont constitues de cellules etroitementaccolees les unes aux autres et soudees entre elles par une membrane faite de collagene.

Il existe trois (ou quatre??) types de jonction assurant la cohesion des cellules dans un tissuepithelial.

Les desmosomes ou jonctions adherentes renforcent la cohesion mecanique des cellules. On lestrouve dans des tissus soumis a de fortes tensions mecaniques. Dans ce cas, l’espace intercelluliarecontient un materiel fibreux. Les jonctions adheren,tes peuvent former une bande adhesive autour dela cellule (zonula adherens). Des faisceaux de filaments d’actine doublent la membrane a leur niveau.Ce sont de vrais rivets cellulaires (schema p69).

Chez certains desmosomes, le cote cytoplasmique de chaque membrane presente une plaque apartir de laquelle des microfilaments -appeles tonofibrilles- rayonnent dans le cytoplasme.

Les jonctions etanches (tight junction) sont des regions ou les membranes plasmiques de cellulesadjacentes sont soudees par des proteines transmembranaires (schema p69). Ces proteines cerclent lescellules epitheliales et forment une barriere impenetrable.

Les jonctions communicantes (gap junction) permettent le passage direct d’ions et de petitesmolecules d’une cellule a l’autre (schema p69 et 71). L’espace intercellulaire est de 2.7 nm (10 a 15 nmquand il n’y a pas de jonctions). A l’endroit ou elles sont rapprochees, les deux membranes contiennentchacune des rosettes de proteines transmembranaires, les connexons, formes de six unites de connexine.Les connexons des membranes voisines sont en vis-a-vis et forment des canaux permettant le passaged’ions et de substances entre cellules.

La structure de ces gaps est complexe et compose de vrais canaux proteiques entre deux cellulesvoisines. Ces canaux peuvent laisser passer des signaux electriques et des substances chimiques.

Les plasmodesmes sont des canaux cytoplasmiques qui relient des cellules voisines chez les vegetaux.Ceux-ci traversent des interstices perces dans les parois des cellules adjacentes. Le cytoplasme et lamembrane plasmique de ces cellules sont continus.

4.1.7 Le glycocalyx

La plupart des proteines exposees a la surface cellulaire et certains phospholipides de la coucheexterne sont associes par liaisons covalentes a de courtes chaınes d’oligosaccharides qui constituentun veritable manteau celluliare appele glycocalyx.

Ces associations moleculaires portent le nom de glycoproteines ou de glycolipides.Les chaınes d’oligosaccharides sont tres diversifiees et leur importance resulte notamment de leur

capacite a etablir de multiples liaisons covalentes entre elles.

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Certaines membranes comportent en outre des proteoglycanes qui sont des proteines integralesassociees a des polysaccharides qui forment une partie de la matrice extracellulaire.

Le glycocalyx protege la surface cellulaire contre les agressions mecaniques et chimiques. Parailleurs, certaines chaınes d’oligosaccharides sot reconnues par des proteines particulieres, les lectines,qui assurent l’adhesion specifique de certaines associations cellulaires (ex: complexe spermatozoıde-ovule), l’agglutination des globules rouges ou la reponse inflammatoire.

4.2 Les lysosomes

Les lysosomes sont des organites limites par une membrane unitaire, qui contiennent des enzymeshydrolitiques, les hydrolases acides, dont l’activite optimale se situe a pH ≈ 5. La forme et la tailledes lysosomes sont tres variables.

Les enzymes lysosomiales hydrolisent les macromolecules en molecules plus petites suivant leschema:

AB +H2O −→ AH +BOHhydrolase

L’activite la plus souvent mise en evidence est celle de la phosphatase acide qui hydrolyse lamajorite des esters monophosphates.

L’ensemble des hydrolases permet d’hydroliser pratiquement toutes les macromolecules biolo-giques. Il est donc essentiel que les enzymes lysosomiales soient parfaitement isolees du reste ducytoplasme.

Dans des conditions normales, la membrane lysosomiale, qui n’est pas digeree par les hydrolases,assure cet isolement. Les lysosomes constituent un veritable appareil digestif a l’echelle cellulaire.

4.2.1 Heterophagie

Il s’agit de la capture et de la digestion de materiaux extracellulaires. Elle represente le principalmecanisme d’alimentation des protozoaires et jouent un role important chez les macrophages desvertebres.

Cependant, il y a une difference entre un protozoaire qui vit librement et un macrophage. Pourle premier, l’endocytose est une fonction vitale tandis que le macrophage, lui, vit dans le plasmasanguin, milieu riche en petites molecules qui peuvent etre utilisees sans digestion prealable. et defait, l’heterophagie le tue.

Chez les vertebres, l’heterophagie exerce encore d’autres fonctions dont la regulation de l’activitehormonale. Elle intervient aussi dans le renouvellement et le remodelage des structures extracellulaires.

La digestion intracellulaire (processus d’heterophagie) se deroule en plusieurs etapes:

– la phagocytose avec formation d’un phagosome– la fusion d’un ou plusieurs lysosomes primaires avec un phagosome ce qui entraine la formation

d’un phagolysosome (ou lysosome secondaire)– la digestion ds macromolecules qui entraine la diffusion de petites molecules utiles vers le cyto-

plasme et la formation de dechets– l’elimination des dechets, soit par exocytose, soit parl’elaboration de vesicules residuelles (vieillis-

sement cellulaire).

4.2.2 Autophagie

Lorsque la cellule detruit tout ou une partie de ses propres constituants, la fonction digestiveest appelee autophagie. Elle se deroule au sein des vacuoles autophagiques qui sont de veritables

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bourgeons internes de cytoplasme et qui font saillie dans la lumiere d’un lysosome et finissent par etrecompletement sequestrees.

L’autophagie intervient dans deux types de processus: les uns normaux et les autres pathologiques.

Processus normaux

Rajeunissement cellulaire. Les cellules, meme si elles peuvent vivre de nombreuses annees, renfre-ment des organites ecllulaires generalement ages de moins d’un mois.

Source de nourriture. L’autophagie reste une reponse cellulaire primordiale au manque de nourri-ture chez la plupart des organismes, y compris les organismes superieures.

Metamorphose. Certaines metamorphoses impliquent une autophagie d’un tres grand nombre decellules (ex: queue du tetard).

Processus pathologiques

Surcharges lysosomiales. Suite a une deficience genetique de l’une ou l’autre enzyme lysosomiale,les lysosomes gonflent, atteignent des tailles enormes et finissent par etouffer les cellules.

Alterations de la membrane lysosomiale. (voir eventuellement l’exemple de la goutte dans lesnotes)

Lysosomes et infection. Les bacteries pathogenes sont par definition des bacteries qui d’une certainemaniere resistent aux lysosomes soit:

– parce que n’etant pas opsonisees cad enveloppees par le complexe antigene-anticorps, elles evitentla phagocytose,

– parce qu’elles inhibent la fusion phagosome-lysosome,– parce qu’elles alterent la membrane es lysosomes a l’aide d’une exotoxine,– Parce qu’apres avoir ete tuees par l’organisme, elles l’empoisonnent par une endotoxine liberee

suite a la digestion de leur paroi.

4.3 Le reticulum endoplasmique

Il est constitue d’un ensemble de membranes qui delimitent des cavites aplaties ou citernes deformes tres diverses. Ces cavites communiquent entre elles et forment un reseau canaliculaire ca-racteristique des cellules eucaryotes.

Ce reticulum endoplasmique constitue le plus vaste systeme membranaire des cellules eucaryotes.Ses membranes sont constituees de phospholipides pauvres en cholesterol et de proteines qui leur sontpropres. Elles peuvent etre ou non associees a des ribosomes.

4.3.1 Le reticulum granulaire (REG)

Les membranes de REG portent des ribosomes attaches par la grosse sous-unite sur leur facecytoplasmique. Les ribosomes d’eucaryotes different des ribosomes de procaryotes par leur constantede sedimentation et par leur insensibilite au chloramphenicol.

Cependant, les ribosomes d’eucaryotes peuvent traduire de l’ARNm bacterien et reciproquement.Les ribosomes associes au RE sont le siege de la synthese des proteines membranaires des differents

organites, des enzymes lysosomiales et des proteines destinees a l’exportation cad des proteinessecretees.

Toutes les cellules eucaryotes contiennent du REG car il est indispensable a l’elaboration desproteines membranaires. Toutefois, le REG est particulierement developpe dans les cellules secrtrices.

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4.3.2 Le reticulum lisse (REL)

Le REL, depourvu de ribosomes, est le siege de la synthese et du metabolisme des acides gras etdes phospholipides, du cholesterol et des polusaccharides.

La quantite de REl varie selon les cellules mais en general, il y en a peu. Cependant, il est tresdeveloppe dans certaines zones.

4.3.3 Les cavites du reticulum

Ceux-ci forment un compartiment intracytoplasmique dans lequel molecules et ions sont isoles ducytoplasme. On y trrouve des produits d’origine endogene mais egalement d’origine exogene captureespar pinocytose. Ces cavites jouent un role capital dans l’isolement, la segregation et l’accumulation dediverses substances. On dira qu’il permet la ”sequestration” ou le ”relargage” d’ions ou de moleculesenergetiques.

4.4 L’appareil de Golgi

L’appareil de Golgi est une structure polarisee, faite d’un ou plusieurs empilements de saccules.Ceux-ci sont organises en une serie de trois compartiments de transformation appeles Golgi cis, medianet trans. Les saccules golgiens proviennent de la fusion de vesicules de la membrane du reticulum.Des lors, de nouveaux saccules se forment sans cesse du cote reticulm (cote cis). En revanche, ducote oppose, les saccules se fragmentent notamment en vesicules de secretion (cote trans). L’appareilde Golgi est donc une structure dynamique qui permet notamment la regeneration des membranesconsommees par endocytose.

4.5 Les voies de transport intracellulaire

L’appareil de Golgi recoit du reticulum endoplasmique des proteines neosynthetisees et les dis-tribue vers la membrane plasmique, les lysosomes et les vesicules de secretion. Ces proteines sonttransferees de la lumiere du reticulum vers la face cis du Golgi grace a des vesicules de transport. Lesproteines destinees aux vesicules de secretion, a la membrane plasmique et aux lysosomes se deplacenta traver les saccules en direction cis-trans.

Elles sont aussi etiquetees en fonction de leur destination en se combinant avec divers radicaux.Lorsqu’elles atteignent le niveau trans du Golgi, chaque type de proteine se dirige vers sa destinationfinale dans un type particulier de vesicules.

Par ailleurs, les cavites du RE interviennent dans le cheminenemt intracellulaire de nombreusesmolecules. Theoriquement, une fois entrees dans les cavites du RE, les molecules ne peuvent plus ensortir. Cependant, l’experience montre que des molecules migrent dans les cavites puis les quittent.Les unes sont stockees dans un autre compartiment, les autres, telles les secretions sont exporteesdans le milieu extracellulaire.

Les enzymes lysosomiales. Les proteines enzymatiques destinees a etre incorporees dans les lyso-somes, sont triees au niveau de l’appareil de Golgi. Les lysosomes constituent des lors des vesiculesd’origine golgienne. Celles-ci sont reconnaissables car elles portent le recepteur du mannose6P.

Les proteines de secretion. Les molecules qui doivent etre exportees de la cellule sont enferees dansdes vesicules de secretion qui se dirigent vers la membrane plasmique ou elles deversent leur contenupar exocytose.

4.6 Le recyclage membranaire est assure par un circuit de vesicules

Les phenomenes de phago-, pino- et d’exo-cytose provoquent d’importantes modifications de lamembrane cytoplasmique, tant du point de vue de la surface que de celui de la composition chimiquedes compartiments membranaires.

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Il existe dans la cellule, des transferts de portions de membranes sous forme de vesicules qui migrentde la surface vers le cytoplasme ou inversement. Il y a donc un remodelage permanent de la membraneet d’autres constituants membranaires de la cellule. Les proteines intrinseques caracteristiques desdifferents compartiments membranaires synthetisees au niveau du RER sont dirigees vers et transfereesaux differentes regions membranaires par un systeme de vesicules d’origine golgienne.

Toute une serie de substances (surtout des macromolecules) ne penetrent dans la cellule que dansla mesure ou elles sont reconnues par des recepteurs specifiques situes a la surface de la membraneplasmique. Dans ce cas, les vesicules d’endocytose sont tapissees du cote cytoplasmique par une coucheproteique en reseau (les clathrines). On les appelle les vesicules recouvertes ou tapissees.

4.7 Les mitochondries

4.7.1 Structure

Chez les eucaryotes, elles sont le siege de la respiration cellulaire. Ce sont de gros organitesd’environ 1µm de diametre. En moyenne, il y a de l’ordre de 500 mitochondries par cellule.

Les mitochondries sont limitees par deux membranes emboıtees l’une dans l’autre. La membraneexterne, de composition proche du reticulum lisse, contient une proteine constituant un importantcanal, appele porine, permeable aux molecules de poids faibles. Par contre, la membrane internepresente de nombreux prolongements appeles cretes qui sont de formes variables.

La membrane interne differe profondement des autres biomembranes. Elle est constitue a 80% deproteines enzymatiques et peut etre assimilee aux mesosomes des bacteries.

L’espace entre les deux membranes est dit intermembranaire et celui delimite par la membraneinterne constitue la matrice. Celle-ci et remplie d’un fluide amorphe riche en proteines. Elle contientpar ailleurs des ribosomes de type bacterien et une molecule annulaire d’ADN. Cet ADN ne comprendpas d’histone et la transcription se fait de maniere polycistronique.

Les genes necessaires a la constitution et au bon fonctionnement des mitochondries se trouventrepartis a la fois dans l’ADN nucleaire et mitochondriale.

Le nombre total de mitochondries d’une cellule reste plus ou moins constant de generation engeneration.

4.7.2 La respiration cellulaire

Elle consiste a oxyder par etapes des molecules nutritives (ex: glucose) en utilisant une substanceinorganique comme accepteur final d’electrons et a recuperer l’energie liberee sous forme d’ATP.

La respiration des eucaryotes est generalement aerobie et c’est l’oxygene qui sert d’accepteur finald’electrons. Les sous produits sont le CO2 et le H2O pauvres en energie.

Molecules organiques +O2 → H2O + CO2 + energie

Les coenzymes

Pour catalyser les diverses etapes de la respiration cellulaire, beaucoup d’enzymes ont besoin enplus de leur substrat, de molecules organiques non proteiniques appelees coenzymes. Au niveau de larespiration cellulaire, il existe cinq coenzymes importants que l’on considere comme des transporteurscar elles vehiculent des substances d’une reaction a l’autre:

– le nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) et la flavine dinucleotide (FAD) qui apportentdes atomes d’hydrogene a la chaıne respiratoire,

– la flavine mononucleotide (FMN), premier transporteur d’electrons de la chaıne respiratoire,et qui accepte l’hydrogene de NADH +H+),

– le coenzyme A qui apporte des groupements acetyles au cycle de Krebs,– le coenzyme Q qui accepte l’hydrogene du FADH2.

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La degradation du glucose

Celui-ci est degrade dans une serie de reactions exergoniques, l’energie liberee servant a synthetiserl’ATP. La plus grande partie du transfert d’energie est liee au transport des atomes d’hydrogene etdes electrons retires aux produits de degradation du glucose a travers une serie de reactions d’oxy-doreduction.

La glycolyse

La glycolise qui se deroule dans le cytoplasme comprend une serie de reactions au cours desquellesune molecule de glucose est convertie en deux molecules de pyruvate. Elle produit egalement deuxproduits importants: l’ATP et le NADH +H+. Il y a production de deux ATP par phosphorylationdu substrat.

L’equation generale de la glycolise peut s’ecrire:

C6H12O6 + 2ATP + 4ADP + 2P + 2NAD+ → 2C3H4O3 + 2ADP + 4ATP + 2NADH + 2H+

Le cycle de Krebs

Avant d’entrer dans le cycle de Krebs qui se deroule dans la matrice mitochondriale, le pyruvateprovenant de la glycolyse perd un atome de carbone sous forme de CO2. Cette decarboxylisations’accompagne de la procuction d’une molecule de NADH +H+. Il reste donc un groupement acetylequi sera transfere par la coenzyme A vers le cycle de Krebs.

Celui-ci correspond a l’oxydation complete du groupement acetyle en CO2. Cette oxydation com-prend egalement deux decarboxylisations et est couplee a la reduction des transporteurs d’electronsNAD+ et FAD.

A la fin du cycle, le glucose est completement oxyde. Une partie de l’energie liberee a servi a fairede l’ATP (sous forme de GTP) par phosphorylation au niveau du substrat. Cepenadnt, la plus grandepartie de l’energie demeure dans les electrons transportes par les coenzymes reduites NADH +H+

et FADH2 (schema p84).Sans oxygene, l’acide pyruvique peut entrer soit dans l’un ou l’autre type de fermentation, soit

lactique, soit alcoolique.La degradation anaerobie de glucose realise une oxydation tres imparfaite du glucose, fournit peu

d’energie et conduit a la formation d’alcool ou d’acide lactique.

La phosphorilation oxydative

Au cours de la phosphorylation oxydative, des coenzymes vont etre oxydes, leur hydrogene (ycompris les electrons) passant a la chaıne respiratoire.

Le NADH2 et le FADH2 vont transferer leurs electrons par une serie d’oxydoreductions adifferents accepteurs situes dans les cretes de la membrane interne et dans les oxysomes.

La membrane interne de la mitochondrie comporte des unites redox composees de cytochromes. Lachaıne complete des transporteurs d’electrons comporte cinq molecules de cytochromes differents. Cesreactions d’oxydoreductions sont couplees a des phosphorylation d’ADP en ATP, l’ensemble formantla serie des phosphorylations oxydatives.

Le mecanisme de la pompe a protons.Au cours du transfert des electrons a travers la chaıne des transporteurs de la membrane interne,

des protons sont expulses de la matrice mitochondriale vers l’espace intermembranaire. Cette mi-gration d’ions H+ cree un gradient de concentration en protons mais aussi un gradient de pH ainsiqu’un gradient electrochimique. Les protons retournent vers la matrice mitochondriale en suivant cegradient electrochimique. Ce retour s’effectue via le complexe F1-F0 et est couple a la transformationd’ATP.

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Les oxysomes sont de veritables petits moteurs moleculaires.La tete d’un oxysome est formee de six sous-unites (α et β en alternance) comportant l’activite

ATPsynthetase. L’ensemble de l’oxysome constitue une structure en forme de canal permettant lepassage de protons. De plus, les deux parties F1-F0 peuvent tourner librement l’une par rapporta l’autre. Chaque paire d’ions H+ qui traverse ce complexe provoque la rotation du fragment F1par rapport au fragment F0 et permet la formation d’une molecule d’ATP. Cjque rotation completeengendre 3ATPs.

Au bout de la chaıne des transporteurs, l’electron est transfere a une molecule d’O2 et forme union superoxyde O−2 . Une enzyme, la catalase, transforme le peroxyde d’hydrogene forme en H2O etO2

4ε− + 2O2 −→ 2O−22O−2 + 2H+ −→ H2O2 +O2

superoxyde dismutaseH2O2 −→ H2O + 1

2O2

catalase

Pour le bilan, voir p163 des notesReaction globale:

C6H12O6 + 6O2 + 36ADP + 36Pi −→ 6CO2 + 6H2O + 36ATP

Quelques particularites des mitochondries

D’autres ions H+ traversent la membrane mitochondriale interne en meme temps que des grou-pements phospates et des molecules d’ADP grace a un systeme de cotransport (symport).

Plusieurs systemes de symport et d’antiport transmembranaires font en sorte que pour chaquemolecule d’ATP qui quitte la mitochondrie, un nombre egal d’ions phosphates et d’ADP retournentdans la matrice mitochondriale.

Les poisons des mitochondries

Plusieurs substances peuvent bloquer selectivement le fonctionnement des mitochondries. L’actionde ces inhibiteurs s’exerce notamment au niveau des cytochromes.

Pour les exemples.. voir cours p165

4.8 Les chloroplastes

4.8.1 Structure

Ce sont des organites propres aux cellules aucaryotes autotrophes. Ils sont le site de la photo-synthese dont l’equation est:

6CO2 + 6H2Ohν−→ C6H12O6 + 6O2

Les membranes externes et internes sont lisses et ne presentent pas de cretes. Cependant, untroisieme systeme de membranes internes forme un reseau de saccules empiles les uns sur les autreset delimite un troisieme compartiment interne prtant le nom evocateur d’espace intrathylakoıdien;le systeme de membranes constitue les thylakoıdes. Entre les lamelles des thylakoıdes, on trouve desempilements de disques appeles grana (granum) (schema p92 bas).

Le compartiment limite par la membrane interne est appele stroma. Comme dans la mitochon-drie, les diverses membranes presentent des caracteristiques chimiques particulieres. La caracteristique

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essentielle est la presence, dans les membranes des grana, de grandes quantites de pigments chloro-phylliens (parmi lesquels la chloraphylle a et b, les carotenoıdes et les xanthophiles) groupes sousforme d’unites photosynthetiques (schema p93 haut).

La structure moleculaire de la chlorophylle comprend un heme dont le centre est occupe par unatome de magnesium.

Il existe trois types importants de molecules dans les membranes des thylakoıdes:

1. la chlorophylle, pigment photosynthetique capable d’absorber la lumiere,2. les enzymes et les cofacteurs du systeme de transport d’electrons,3. les complexes enzymatiques qui assurent la synthese de l’ATP.

Les chloroplastes sont, comme les mitochondries, capables d’autoreplication. Ils comportent dansleur matrice un ADN annulaire et des ribosomes et sont donc capables d’assurer la synthese decertaines de leur enzymes.

Le stroma contient aussi les enzymes qui convertissent le CO2 en molecules glucidiques.

4.8.2 Deroulement de la photosynthese

Les organismes autotrophes sont les seuls qui peuvent utiliser une source d’energie autre quel’energie chimique, en l’occurrence l’energoe lumineuse. Le processus global de la photosynthese secompose d’environ une centaine d’etapes subdivisees en deux phases sequentielles, la phase claire etla phase sombre.

La phase claire

Les pigments chlorophylliens sont rassembles dans les membranes des thylakoıdes en photo-systemes. Le photosysteme I contient de la chlorophylle a et absorbe la lumiere a 700nm (P700).Le photsysteme II contient de la chlorophylle b et absorbe la lumiere a 680nm (P680).

Lorsque la lumiere frappe le P700, l’energie des hν est utilisee pour exciter un electron et le porterau niveau energetique superieure. Cet electron retourne par etapes successives a son potentiel initial.Au cours de ce transfert, il y a formation d’ATP.

Toutefois, l’electron excite peut emprunter une autre voie et retourner a un potentiel inferieur partransfrets successifs a des accepteurs d’electrons parmi lesquels le dernier est le NADP:

2NADP + 2H+ + 2ε− → 2NADPH

Le photosysteme II realise la photolsye de l’eau

Sous l’action de la lumiere, l’eau est lysee en H+, electron et en O2.

H2O → 2H+ + 2ε− +12O2

Par aielleurs, l’energie lumineuse est utilisee pour la delocalisation d’un electron du photsysteme II.Cet electron va egalement retourner a son etat initial en empruntant une voie comportant a nouveaudes cytochromes et en formant une molecule d’ATP. En fin de parcours, l’electron servira a comblerle ”trou” cree precedemment dans le P700 par la perte de l’electron initial.

Les deux electrons produits par la photolyse de l’eau s’incorporent au photosysteme II qui avaitperdu les siens au profit du photosysteme I.

La succession complete des reactions est donc:

P700 + LUMIERE(hν)→ 2ε−(excites)

2ε− + 2NADP+ + 2H+ → 2NADPH

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P680 + LUMIERE(hν)→ 2ε−(excites)

2ε− → P700

H2O + LUMIERE(hν)→ 12O2 + 2H+ + 2ε−

2ε− → P680

La photosynthese produit donc du NADP+ +H+, de l’ATP et de l’O2. au cours de la reactiondont la forme globale peut s’ecrire:

2H2O + 2NADP+ + 2ADP + 2P + 4ε− → O2 + 2NADPH + 2H + 2ATP

En resume, la phase claire assure la conversion de l’energie lumineuse en energie chimique etproduit de l’oxygene moleculaire qui se degage.

La phase sombre

Au cours de celle-ci, qui se deroule dans le stroma, le CO2 atmospherique est reduit et incorporea des molecules organiques complexes via une longue chaıne enzymatique qui le convertit en glucose.

La serie de reactions conduisant a la formation de ca produit forme un cycle. Dans les chloroplastes,la premiere etape se situe au niveau d’un sucre en C5, le ribulose P-P qui regait avec une moleculede CO2 pour former deux sucres en C3:

Ribulose P-P + CO2 → 2acide phospho glycerique

Cette fixation de CO2 utilise le pouvoie reducteur du NADPH et l’energie generee sous formed’ATP au cours de la phase claire. Cette energie est utilisee pour la synthese de molecules organiques,des sucres qui a laur tour reliberent dans les mitochondries l’energie stockee. Ce cycle est appele cycledes pentoses phosphates.

L’energie necessaire a cette biosynthese (ATP) et les atomes d’hydrogene (NADPH2) sont fournispar la phase claire.

Aussitot synthetise, le glucose est generalement polymerise en amidon, ce qui evite les problemesosmotiques.

4.8.3 Role de la photosynthese

Il y a trois grands roles joues par la photosynthese:

1. Toute l’energie mise en œuvre par tous les etres vivants provient en derniere analyse de ladegradation des molecules organiques issues de la photosynthese chlorophyllienne.

2. Parallelement, tout l’oxygene de notre atmosphere y a ete accumule et continue de se renouvelerpar photosynthese.

3. Toutes les atomes de carbone constitutifs des organismes vivants, toutes les molecules d’oxygenesont au moins passees une fois dans un chloroplaste.

la reaction globale de la photosynthese peut s’ecrire:

hν6CO−2 + 6H2O −→ C6H12O6 + 6O2 ↗

chlorophylle

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4.8.4 Les cycles en C4

Dans un certain nombre de plantes, il existe un systeme intermediaire de fixation du CO2.Il s’agit du cylce de Calvin qui se deroule dans des conditions environneentales drastiques. Il se

realise dans les cellules entourant le fasceau libero-ligneux. Les cellules du mesophyle (parenchymelacuneux) presentent dans ce cas un cycle de capture du CO2 qui fait intervenir une molecule de PEP(phosphoenol-pyruvate) qui fixe le CO2 pour former une molecule d’oxaloacetate. Cette derniere cedele CO2 au cycle de Calvin par decomposition de la molecule en acide pyruvique et en CO2.

4.9 Cytosquelette et motilite cellulaire

Le cytosquelette donne a la cellule sa forme, la capacite de se mouvoir et son aptitude a ordonnerses organites et a les transporter d’un endroit a l’autre. La motilite qui traduit l’aptitude a effectuer desmouvements spontanes ou reactionnels chez les etres vivants est une propriete generale des eucaryotes.Ces mouvements se manifestent a trois niveaux:

– au niveau tissulaire, a l’occasion de la contraction des muscles par exemple.– au niveau cellulaire, a l’occasion du deplacement de cellules isolees tels les spermatozoıdes. Ces

cellules isolees se deplacent plus ou moins rapidement selon le milieu. Sur un support solide outres visqueux, elles progressent lentement en formant des voiles ou des pseudopodes. En milieuliquide, elles progressent vivement a l’aide de cils ou de flagelles.

– au niveau intracellulaire, a l’occasion des mouvements de la membrane lies a l’endocytose. Cesmouvements intracellulaires jouent un role essentiel dans la vie de la cellule.

Ces mouvements sont liees a l’existence de proteines attachees a la membrane plasmique et adifferents organites. Ce reseau proteinique est qualifie de cytosquelette car il fournit une ossaturepermettant le maintien de la forme de la cellule et l’execution des ses mouvements. Ob compte troistypes de fibres proteiques dans le cytosquelette: le microtubules, les filaments intermediaires et lesmicrofilaments.

Les dux premiers pevent exister tels quels dans les cellules ou etre integres a des appareils cellulairescomplexes.

4.9.1 Les microtubules

Les microtubules sont constitues de sous-unites proteiniques globulaires dont l’arrangement enhelice creuse constitue des structures tubulaires de longueur variable. Chaque sous-unite proteiniquecorrespond a un dimere de tubuline α et β.

Ces molecules s’associent spontanement en dimeres αβ tandis que leur polymerisation, qui corres-pond a la formation de protofilaments, s’effectue a partir de centres organisateurs de microtubules.Chaque microtubule resulte de l’association en forme de cylindre de 13 protofilaments.

La polymerisation des dimeres de tubuline est reversible.Les microtubules possedent une extremite(notee +) par laquelle il peut croıtre par addition de dimeres et une extremite (notee -) par laquelleil peut se raccourcir. Il peut donc egalement disparaıtre par largage de dimeres dans le cytoplasme.

Les microtubules croissent a partir de centres particuliers de la cellule appeles centres organisateursdes microtubules (M T O C). Les centres organisateurs des microtubules jouent un role imporatntnotamment lors de la division cellulaire. Dans les cellules animales, on trouve au centre des MTOCune paire de centrioles. Par contre dans les cellules vegetales, depourvues de centrioles, les MTOCseuls constituent les poles a partir desquels s’assemblent les microtubules du fuseau mitotique.

Les centrioles

Un centriole est forme par un ensemble de neuf triplets de microtubules constituant un cylindre.Le centiolr est generalement situe a proximite du noyau de la cellule. Dans ce cas, il est le plussouvent

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present en deux exemplaires perpendiculaires l’un a l’autre: le diplosome (schema p98 bas). Celui-ci joue un role important dans la formation et l’accrochage du fuseau mitotique lors de la divisioncellulaire.

Toutes les cellules eucaryotes (sauf les cellules vegetales superieures) contiennent un diplosome.Avant la division, les centioles servent de centre organisateur pour la formation d’un nouveau diplo-some, puis la formation du fuseau.

Si les centrioles servent de centres organisateurs a la formation des cils ou des flagelles, ils sontqualifies de cinetosome. Dans ce cas, les deux microtubules les plus internes de cahque tiplet sont encontinuite avec les microtubules des doublets de l’axoneme ciliaire. D’autre part, le cinestosome a labase des cils ou des flagelles peut presenter des decorations relativement complexes, parmi lesquelleson trouve souvent les racines ciliaires.

Les microtubules A comportent 13 protofilaments, alors que les microtubules B et C n’en com-portent que 11.

Les cils et les flagelles

Ceux-ci sont des digitations mobiles de la surface cellulaire. Bien que les cils soient plsu souventplus courts et plus nombreux que les flagelles, ces deux types d’organites locomoteurs partagnetla meme structure de base. Ce sont des expansions cylindriques du cytoplasme. Neuf doublets demicrotubules sont disposes suivant les genratrices du cylindre, chaque doublet prolongeant deux destrois tubules du triplets du cinestosome. De plus, ils possedent deux tubules paralleles situes presde son axe et qui ne se prolongent pas dans le cinestosome. Ces structures longitudinales sont lieespar des bras proteiniques transversaux disposes le long des microtubules. Certains de ces bras sontcapables d’hydroliser l’ATP et d’utiliser l’energie ainsi degagee a provoquer localement une translationlongitudinale des microtubules les uns par rapport aux autres. I en resulte une flexion locale du faisceaude tubules et donc du cil ou de la flagelle.

Si les cils et les flagelles ont une structure identique, leur mode de battement est tout a faitdifferent. Les flagelles sont parcourus de la base au sommet d’ondes de flexions symetriques. Lesflagelles exercent alors sur l’eau des poussees obliques dont les composantes laterales s’annuletn et dontles composantes longitudinales s’additionnent. Les cils quant a eux ont un battement dissymetriquequi comporte l’alternance entre une flexion rapide du cil rigide et une relaxation lente du cil souple.Cette dissymetrie implique une inegalite entre les impulsions communiquees a l’eau dans un sens puisdans l’autre et donc le transfert d’une certaine impulsion resultante a la cellule par rapport au liquideambiant (schema p179 bas des notes).

Ces organites locomoteurs servent a propulser la cellule dans son milieu si elle est libre, soit adeplacer le fluide extracellulaire si la cellule est incluse dans un tissu.

4.9.2 Les microfilaments

Les filaments d’actine

Les molecules d’actine, une proteine globulaire, peuvent s’autoassembler pour constituer unevariete de polymeres appeles microfilaments et par la suit se defaire en monomeres reutilisables.Ces microfilaments peuvents’organiser en faisceaux de fibres paralleles localisees immediatement sousla membrans plasmique, soit sous forme de veritables reseaux. Ils sont toujours fixes a la membraneplasmique.

L’actine est une proteine globulaire, actine G, susceptible de s’associer en une double chaınetteenroulee en helice et formant de longs filaments: l’actine F.

Ces filaments d’actine sont ancres a la membrane cytoplasmique de la cellule.Dans les cellules musculaires, l’actine forme les filaments fins tandis qu’une autre proteine glo-

bulaire, la myosine, constitue les filaments epais. Cette actine est un composant essentiel des unitescontactiles: les sarcomeres. Dans le sillon de l’helice d’actine, deux autres proteines viennent se loger:la troponine et la tropomyosine qui toutes deux participent a la contraction musculaire.

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Mais l’actine est egalement une proteine abondante dans la plupart des types cellulaires ou elleintervient dans diverses activites cellulaires.

La desorganisation et l’accumulation incotrolee des filaments d’actine dans la cellule constituentune des caracteristiques du vieillissement cellulaire.

Les contractions ou les deformations des cellules resultent du glissemnt des microfilaments les unspar rapport aux autres.

Les microfilaments jouent un role actif. En effet, ce sont eux qui etranglent la cellule mere et quisont donc responsables de la division du cytoplasme. Notons que la cytochalasine, substance toxiqueempeche la polymerisation de l’actine et donc plusieus mouvements cellulaires mais pas la separationdes chromosomes.

La myosine

Il s’agit d’une grande proteine comportant une extremite globulaire (tete) et une longue queuefilamenteuse. Elle peut etre decomposee en deux sous-unites: une sous-unite de meromyosine, ditelourde, qui comprend la partie globulaire et un segment de la partie filamenteuse, et une chaıne demeromyosine legere formee de l’extremite distale de la partie filamenteuse.

La ”molecule” de myosine est un dimere constitue par l’enroulement en helice α de deux moleculesde myosine dont les chaınes legeres sont situees du meme cote.

Le filament epais est forme d’un faisceau de molecules de myosine presentant une orientation etune disposition tres precises.

La contraction musculaire est assuree par l’interaction des filaments minces d’actine avec lesfilaments epais de myosine.

La myosin n’est pas un type de molecules mais bien une famille entiere de molecules. D’autre part,la myosine existe egalement dans le cytoplasme de la plupart des cellules.

Les filaments intermediaires

Les filaments intermediaires (FI) ont un diametre intermediaire entre celui des microfilaments etcelui des microtubules.Divers types cellulaires possedent leurs propres types de filaments qui differentpar le type de proteine mise en jeu.

Parmi ceux-ci, on peut citer:

– la vimentine qui sert notammene a maintenir en place les differents organites cytoplasmiques,– la desmine qui s’attache transversalement entre les bandes Z des sarcomeres et maintien ainsi

la coherence des fibres striees etqui constituent les filaments d’ancrage des desmosomes,– les neurofilaments qui s’associent aux microtubules et particiepnt au transport axonal,– les cytokeratines qui se retrouvent dasn des epitheliums ”durs” keratinises.

Les monomeres des FI sont des proteines filamenteuses dont l’organisation rappelle celle de lamyosine. Egalement, les FI se montrent plus stables et resistent mieux a la denaturation que lesautres types de filaments.

Les autres proteines du mouvement

Parmi celles-ci on peut citer la dyneine et la kinesine.Les kinesines sont des molecules en forme de batonnets formees de deux chaınes lourdes enroulees

en helice et de deux extremites globulaires, le tout formant un Y. Ces proteines s’attachent a la facedes microtubules ainsi qu’a des elements du reticulum tels que des micro vesicules.

Elles sont responsables du transport actif de ces vesicules d’un endroit a l’autre de la cellule.Les microtubule sont donc les autoroutes intracytoplasmique. Les kinesines sont specialisees dansle transport centrifuge, cad de l’extremite - des microtubules vers les extremites +. Les dyenineseffectuent les transports dans les directions oposee.

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4.9.3 Le cytosquelette a de multiples fonctions

L’etude des globules rouges a montre qu’ils presentaient une forme bien precise. Le maintien decette forme est du a un reseau cytosquelettique dense. Les proteines de la bande III sont repartiesde maniere uniforme dans la membrane et constituent les points d’ancrage d’un reseau de filamentsde spectrine. Ces filaments tissent un filet cytosquelettique dont les noeuds sont maintenus par deselements d’actine. L’ensemble forme un reseau serre qui procure a la cellule sa forme particuliere.

4.9.4 Les ”poisons” du cytosquelette

Les cytchalasines A et B bloquent l’assemblage des filaments d’actine et donc ralentissent ouarretent les deplacements cellulaires,..

La phaloıdine inhibe la depolymerisation des filaments d’actine.La colchicine est un inhibiteur de l’assemblage des microtubules. Elle bloque donc la mitose.

D’autres substances comme la vinscristine et vinblastine inhibent egalement la polymerisation desmicrotubules.

Le nocodazole inhibe egalement l’assemblage des microtubules. Par contre le taxol favorise laformation des microtubules.

4.10 Le noyau en intercinese

L’intercinese est la periode qui s’etend entre deux divisions cellulaires successives. C’est pendantcette periode que se produisent toutes les biosyntheses nucleaires et notamment la replication del’ADN et la transcription des ARN.

L’aspect structural du noyau est tres different suivant qu’il se trouve en intercinese ou en coursde division cellulaire.

4.10.1 L’enveloppe nucleaire

Chez les eucaryotes, le noyau est separe du cytoplasme par l’enveloppe nucleaire qui est uneprotion specialisee du reticulum endoplasmique. La citerne, qui forme cette enveloppe, est limitee parune membrane lisse cote noyau et par une membrane portant des polysomes cote cytoplasmique.

On a a l’interieur du noyau un reseau de microfilaments qui constitue la matrice nucleaire. Cereseau est attache a la lame nucleaire et forme un feutrage des microfilaments qui tapissent la facenucleaire de la membrane interne de l’enveloppe nucleaire. Cet ensemble cytosquelettique est formede filaments intermediaires de laminine et sert a accrocher et maintenir la chraomatine mais aussi asoutenir l’enveloppe nucleaire (schema p105 milieu).

Membranes nucleaires externe et inetrne s’unissent de place en place realisant dans l’enveloppe desperforations circulaires appelees pores nucleaires. Ces pores sont des structures proteiniques complexesqui assurent le controle des transits nucleocytoplasmiques en etant les voies de passage oblige entrenoyau et cytoplasme. Ce sont des structures toriques complexes formees d’un anneau proteiniqueentourant des elements disposes en rayon de charette.

La membrane interne delimite un espace: le nucleoplasme qui contient le suc nucleaire, la chro-matine ainsi que le ou les nucleoles.

4.10.2 La chromatine

Le noyau en intercinese contient un reseau fibrillaire appele chromatine. Celle-ci se presente soitsous forme de masses compactes qualifiees d’heterochromaitine, soit sous une forme fibrillaire appeleeeuchromatine, ces deux formes coexistant dans un meme noyau.

Il s’agit d’une substance complexe formee d’ADN, d’histones (proteines basiques participant a lastructure de la chromatine) et de proteines non histones (des regulateurs de transcription ou traductionou des enzymes).

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Chez les eucaryotes, les noyaux contiennent une quantite enhaurmes d’ADN, quantite qu estlargement en exces par rapport a celle qui est necessaire pour coder les proteines presentent dans lacellule. On a environ 30% d’ADN dit non-codant.

4.10.3 Structure de la chromatine

La chromatine est une sturcture tassee a l’extreme. Elle peut se derouler en une structure quifigure un collier de perles.. Ces perles sont des complexes d’ADN et d’histones appeles nucleosomes.

Un nucleosome est forme d’un octet d’histones, cad d’une paire de chacune des histones H2A,H2B, H3 et H4, complexees a 146 paires de bases d’ADN et d’une histone H1 stuee en dehors dunucleosome et liee a une soixantaine de paires de bases. Cette histone arrime l’ADN qui cercle lesautres histones et joue un role dans l’empaquetage des nucleosomes (schema p106 milieu).

4.10.4 L’ADN repetitif

Il a ete montre qu’il y avait tres peu de rapport entre d’une part la quantite d’ADn du genomeet d’autre part la complexite des individus de l’espece consideree ou le nombre de proteines qu’ilssynthetisent.

Si le genome complet d’une cellule humaine contient 3 a 4.109 paires de bases, celui-ci contient l’in-formation pour 107 proteines (100 acides amines par proteines). Or, le nimbre maximum de proteinesidentifiees aujourd”’hui est de 50− 150.103.

Dans un genome, la plupart des genes existent en une seule copie ou en un petit nombre de copies(dependant des besoins en quantite de la cellule → amplification genique).

Le sequencage systemayique de l’ADN a revele l’existence d’un grand nombre de courtes sequencesrepetees d’ADN. Ces sequences repetees sont non codantes. On peut citer: les oligonucleotides et dessegments d’ADN mobiles comme les transposons(= genes sauteurs).

Les ADN repetitifs peuvent etre classes en plusieurs categories:

– les ADN repetitifs en tandem qui ont une longueur variable,– l’ADN repetitif simple sequence formant 10 a 15% de l’ADN total,– l’ADN repetitif sequences dispersees formant 20 a 40% de l’ADN total.

On peut observer aussi la presence d’un ADN repetitif non codant appele ADN satellite dontla proportion peut aller jusqu’a 10% du genome. Il se compose de 1 a 250 nucleotides qui peuventdans certains cas etre repetes plusieurs millions de fois. Cet ADN se trouve en general au niveau ducentromere des chromosomes.

On voit donc qu’au total, a peine 10% de l’ADN nucleaire est reellemnt informatif et que 1%seulement code pour des proteines.

Si on le compare a l’ADN codant, on constate que l’ADN hautement repete subit des mutationsrelativement frequentes et sans consequences. Cet ADN peut donc etre assez different chez deuxespeces etroitement apparentees ou meme chez deux individus de la meme espece.

4.10.5 Structure des chromosomes

Dans le noyau, l’ADN est present sous forme de structures discretes, les chromosomes. Chaquechromosome est une longue double helice d’ADN invisible entre deux divisions cellulaires et confonduedans l’eu- et l’heterochromatine. Entre deux divisions cellulaires, ces chromosomes sont attaches parleurs extremites a la face interne de l’enveloppe nucleaire. Au moment de la division, les chromosomess’individualisent, se condensent. Les enroulements successifs en helices de plus en plus compactes deschaınes de nucleosomes assurent la condensation de l’ADN en grosses boucles serrees.

La structure du chromosome metaphysique comporte une armature centrale, une matrice faite deproteines acides non-histones, sur laquelle viennent s’attacher en spirale les boucles d’ADN condense.

L’empaquetage de l’ADN en nucleosomes reduit sa longueur native d’un facteur de six. La fibrenucleosomique est elle meme enroulee en un arrangement helicoıdal qui apparait tel un solenoıde. A

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la suit de ce deuxieme tassement, la fibre d’ADN est reduite d’un facteur 50. Mais c’est encore insuffi-sant.Ansi, les colliers fortement enroules de nucleosomes se disposent en larges boucles maintenues enplace par des proteines non histones. On dit de la chromatine fortement tassee qu’elle est condensee(schema p192 des notes).

Quand l’ADN est dans cet etat, les enzymes ne peuvent y avoir acces. Des lors, la chromatine doitse derouler au moins jusqu’a la formation d’un coliier de nucleosomes pour que l’ADN puisse servirde matrice pour la synthese de l’ADN ou d’ARN.

Le degre de tassement de la chromatine est heterogene: l’euchromatine, qui peut etre traduite, estpeu condensee tandis que l’heterochromatine l’est fortement.

4.10.6 La transcription chez les eucaryotes

Chez les eucaryotes, le transcrit originel d’ARN doit subie des modifications dans le noyau avantd’entrer sious forme d’ARNm mature dans le cytoplasme.

Il existe en fait plusiseurs types d’ARN polymerases ayant des localisations et des fonctionsdifferentes:

– l’ARN polymerase I localisee dans le nucleole et ayant pour fonction specifique la transcriptiondes ARNr de grande taille,

– l’ARN polymerase II localisee dans le noyau et etant responsable de la transcription des ARNm

de la plupart des proteines,– l’ARN polymerase III egalement localisee dans le noyau et responsable de la transcription desARNt et des petits ARNr.

L’ARN messager se forme dans le noyau

L’ARNm produit dans le noyau est generalement tres long (plus que necessaire a la traduction dela proteine). Ces ARNm natifs sont appeles hnARNm (ARNm nucleaires heterogenes).

L’hnARNm se voit ajouter a son extremite 5’ une coiffe (cap) faite d’un nucleotide particulier, la7 methyl guanosine. La liaison est de type 5’-5’.

Meth7 − P − P − P−5′ −5′ ARNm

A l’autre extremite, s’ajoute une sequence de 150-200 nucleotides tous identiques (adenosine), la”queue” poly A (polyadenosine).

L’epissage

La sequence codante est generalement interrompue en de nombreux endroits par des sequencesnon codantes: les introns. Les sequences codantes d’un meme gene sont appelees des exons.

Les limites des introns sont indiquees par une sequence d’une paire particuliere de bases aux deuxextremites de chaque intron:

5′GU −−− Intron−−−AG3′

L’epissage consiste en l’excision des sequences non codantes et le recollage bout a bout dessequences codantes. Il semble que ce travail se realise dans le noyau. Plusieurs mecanismes d’epissagesont connus parmi lesquels l’autoepissage pour lequel l’intron s’excise lui meme sans l’interventiond’une enzyme et l’epissage.

L’epissage quant a lui fait appel a un complexe enzymatique appele particule d’epissage (ou spli-ceosome). Celle-ci est forme de proteines et d’ARN et constitue les RNPsn (petites ribonucleoproteinesnucleaires).Chaque spliceosome contient 5 segments d’ARN appeles U1, U2, U4, U5 et U6 (snRNAs),U2, U3 et U5 participant a l’epissage et U1 et U4 servant de sites de reconnaissance.

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A la fin de ce processus de maturation (processing), l’ARNm est enfin pret pour la traduction(schema p111).

Dans le cas de l’autepissage, l’ARN lui meme forme une boucle et sans l’aide d’aucune proteineassure la coupure de l’intron et le collage des deux exons successifs.

Chez les eucaryotes, l’ARNm final ne code generalement que pour une seule chaıne polypeptidique.Ils sont dits monocistroniques tandis que les ARNm des bacteries sont polycistroniques.

Les ribozymes sont des ARNs a fonction enzymatique

Certaines proteines de ceratins ARNs sont capables de developper une activite enzymatique depolymerase ou nuclease par le fait qu’ils sont capables d’ajouter ou d’enlever un nucleotide a la find’une chaıne nucleotidique.

On trouve des introns dans presque tous les genes d’eucaryotes a l’exception de ceratins, commeceux codant pour les histones. On trouve aussi des introns dans certains genes de mitochondrieshumaines.

Un gene qui contient des introns est transcrit en entier, mais apres l’addition de la queue poly A,les introns sont episses et les exons lies entre eux.

On ne sait que fort peu de choses sur la fonction des introns. Par contre les introns ne sontdepourvus de sens que pour une proteine donnee. On se retrouve ainsi confronte a une nouvel as-pect qui illustre la complexite de l’encodage de l’information genetique dans la molecule d’ADN parl’existence de genes recouvrants (intron pour une proteines et exon pour une autre).

4.10.7 Les nucleoles

Les nucleoles sont le siege de la formation des ribosomes. Ce sont ds spherules refringentes et tresbasophiles.On peut y voir une zone fibrillaire peu dense entoure d’une zone fibrillaire dense et d’unezone granulaire peripherique. Leur nombre par noyau varie avec le type cellulaire. Morphologiquement,ils se composent de zones fibrillaires et de zones granulaires.

Ils contiennent environ 85% de proteines, 10% d’ARN et 5% d’ADN. La plus grande partie del’ARN nucleolaire est constitue d’ARN de type ribosomial.

Le nucleole est une region distincte du noyau qui se forme a partir de segments terminaux d’unou plusieurs chromosomes, les organisateurs nucleolaires.

L’ADN des organisateurs nucleolaires comporte les genes codant pour la synthese des ARNr. Lesgenes codant pour les proteines ribosomiales sont portes par des regions distinctes des chromosomes endehors de l’organisateur nucleolaire. Les proteines ribosomiales sont synthetisees dans le cytoplasme etmigrent dans le noyau vers les nucleoles. Elles y sont associees aux ARNr et forment les preribosomes.Ceux-ci retournent dans le cytoplasme pour y etre assembles en ribosomes complets.

4.11 L’activation des genes

4.11.1 Regulation de la transcription

La regulation chez les aucaryotes est differente de celle chez les procaryotes.Chez les eucaryotes, l’ARN polymerase ne peut initier seule la transcription. Elle necessite l’in-

terve,tion d’une serie de proteines qui ensemble constitue le facteur general de transcription. L’assem-blage de ces proteines s’effectue au niveua d’une courte sequence de quetrenucleotides –TATA– placeeen tete du promoteur.Apres quoi, le facteur general de la transcription et l’ARN polymerase fixee surle promoteur s’associent et la transcription peut commencer. L’assemblage du facteur general se faiten plusieurs etapes sue lesquelles des proteines de regulation peuvent jouer sur la vitesse.

Egalement, chez les eucaryotes, les proteines regulatrices peuvent se fixer sur l’ADN a quelquescentaines, voire quelques milliers de paires de baseqs du promoteurs qu’elles regulent.Cette situationimplique que l’ADN puisse se deformer et constituer des boucles de maniere a rapprocher les deuxsites.

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Cela signifie qu’un seul promoteur peut etre controle par plusieurs sequences regulatrices disperseessur l’ADN.

La region regulatrice d’un gene d’eucaryote comporte donc trois types d’elements:

– un promoteur et la TATA box ou s’assemblent le facteur general et l’ARN polymerase,– des sequences regulatrices ou se fixent des proteines de regulation,– des espaceurs qui sont les sequences d’ADN qui separent les regions regulatrices entre elles.

4.11.2 Les proteines de regulation

L’activation de genes particuliers est a la base de toute differenciation cellulaire.En outre, des genes specifiques s’expriment aux divers stades du developpement, tandis que

d’autres repondent a des signaux de leur environnement.L’expression des genes est commandee par des proteines de regulation qui se fixent sur des sites

specifiquent de l’ADN. Ces proteines sont soit des activateurs soit des inhibiteurs de la transcription.Celles-ci se caracterisent par au moins deux domaines: le domaine de fixation a l’ADN qui permet

a la proteine de reconnaitre son gene cible et le domaine d’action sur la transcription.Il existe quatre grands types de domaines de fixation qui utilisent soit l’helice α, soit le feuillet β

pour se lier au garnd sillon de l’ADN (schema p113 milieu).Le motif helice-tourne-helice est le modele le plus simple et le plus commun.Il est constitue de

deux helices α reliees par un coude β.Les autres motifs sont: le motif en doigt de zinc qui fait intervenir un atome de zinc, le motif

fermeture a leucine dans lequel on retrouve une leucine tous les sept acides amines cad a chaque pasde l’helice et le motif helice-boucle-helice.

4.11.3 Les histones dans la regulation

Les histones sont plus que de simple supports pour l’enroulement de l’ADN. En effet, lorsquel’histone H3 est methylee, les genes correspondants sont inactives a la suite d’une serie de reactionscomplexes. A l’oppose, l’acetylation des histones induit une activation des genes correspondants.

Les histones jouent donc un role dans la regulation de l’expression des genes.

4.12 La mitose

Arrivee a sa taille maximale, une cellule peut soit mourir soit se diviser en deux cellules filles.Le processus de division generale est la mitose.A l’issue de chaque division mitotique, la cellule

mere donne naissance a deux cellules filles qui lui sont genetiquement identiquesLa mitose est un phenomene continu qui se deroule plus ou moins rapidement selon le type

cellulaire. Elle comprend la division du noyau ou caryocinese qui correspond a la mitose proprementdite, suivie de la division du cytoplasme ou cytocinese.

On definit donc la mitose comme une serie d’evenements au cours desquels les chromosomes d’unecellule, deja dupliques pendant l’intercinese, sont separes en deux groupes egaux.

On peut diviser la mitose en six stades principaux: la prophase, la premetaphase, la metaphase,l’anaphase, la telophase et la cytocinese.

4.12.1 La prophase

La prophase est marquee par la condensation de la chromatine en une serie de chromosomesqui deviennent visibles individuellement. Lenombre de chromosomes est determine pour une especedonnee. Chaque chromosome est constitue de deux chromatides qui resultent de la replication del’ADN au cours de l’intercinese. Ces chromatides, qualifiees de chromatides sœurs, sont separeesl’une de l’autre sauf en une region, le centromere, ou elles sont etroitement associees. C’est a ceniveau qu’edifient en contact etroit avec les chromatides, en position symetriques et opposees,les

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kinetochores. Ces structures pluristratifiees constituent des centres organisateurs de la polymerisationdes microtubules. La condensation des chromosomes se poursuit tout au long de la prophase et lenucleole disparait progressivement.

En debut de prophase, le diplosome se duplique. Les deux complexes centriolaires sont rapide-ment entoures de microtubules dont la formation est induite par le materiel pericentriolaire. Cesmicrotubules s’orientent de mainere rayonnee autour de chaque diplosome et constituent les asters.Les diplosomes migrent alors progressiveemnt en direction opposee dans le cytoplasme. l’elongationdes microtubules polaires situes entre les deux diplosomes est plus importante que celle des asters.Ces microtubules constituent l’ebauche du fuseau mitotique (schema p115 bas).

Il est important de bien differencierla paire de centrioles appelee diplosoem et le centrososme. Cedernier est une petite region circulaire du cytoplasme qui regule la polymerisation des asters. C’estla position du centrosome qui determine l’axe du fuseau et par consequent le plan de la division de lacellule. Cette disposition est d’une grande importance lors de l’embryogenese notamment. La presencede centrosomes multiples conduit a la formation de fuseaux multipolaires et est lie a la cancerisationdes cellules.

4.12.2 La premetaphase

Cette etape est marquee par la rupture de l’enveloppe nucleaire qui se fait simultanement en plu-sieurs points., les fragments de l’enveloppe se dispersant rapidement dans le cytoplasme. Parallelement,le fuseau mitotique qui etait localise en dehors du noyau occupe des ce moment tout l’espace nucleaire.

Les kinetochores deviennent fonctionnels et induisent la formation de microtubules kinetochoriensou chromosomiques qui s’edifient perpendiculairement au grand axe du chromosome (schema p204des notes).

Les chromosomes s’orientent alors par rapport aux poles de maniere telle que chacun des deuxkinetochores se trouve en face d’un pole oppose. Cela entraine l’imbrication des microtubules kinetocho-riens et polaires dont les trajets deviennent paralleles. Les microtunules kinetochoriens s’allongenttandis que les chromosomes migrent vers le plan equatorial du fuseau.

4.12.3 La metaphase

La formation de la plaque equatoriale

La metaphase est caracterisee par le rassemblement des chromosomes a l’equateur du fuseau. C’esta ca stade que les chromosomes sont le plus condenses.

Leur situation sur le plan equatorial est telle que leurs kinetochores font faces chacun a un poleoppose et son equidistant de ce pole.

Les microtubules kinetochoriens vont du kinetochore dont ils sont issus vers le pole auquel cekinetochore fait face. La microtubules polaires s’etendent soit d’un pole aa l’autre, soit du pole dontils sont issus au plan equatorial.

Ce qui fait coller les chromatides ensemble

Depuis la fin de la replication jusqu’a la fin de la metaphase, les chromatides sont maintenuesseparees mais proches l’une de l’autre a l’aide de molecules de cohesine. Ces molecules seront detruitespar une serie de reactions complexes faisant intervenirdes separines (l’inhibition des separines avantl’anaphase est assuree par les securines) et libereront les chromatides lors de l’anaphase. Ce mecanismeest distinct de celui qui permettra la cassure du centromere.

4.12.4 L’anaphase

C’est lors de cette etape que se produit la partage des chromosomes en deux lots identiques.Au debut de l’anaphase, les chromatides sœurs se separent au niveau du centromere, chaque

chromatide devenant autonome et independant (on les dit chromosomes anaphasiques).

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Les chromosomes migrent alors en sens opose vers un pole du fuseau, kinetochores en tete. Ledplacement des chromosomes est synchrone.

L’anaphase se decompose en deux temps. Les microtubules polaires des deux extremites du fuseaus’allongent et glissent les uns sur les autrs grace a la kinesine: le fuseau s’allonge. Le centromere dechaque chromosome secasse et libere les deux chromatides, tandis que les microtubules chromoso-miauxx se raccourcissent du cote des kinetochores et tirent les chromatides vers les poles. L’actionconjuguee des deux mouvements entraine une chromatide de chaque paire vers un des poles de lacellule.

La fin de l’anaphase est marquee par le rasemblement de chaque lot de chromosomes a un poleoppose du fuseau. A ce stade, les microtubules kinetochoriens sont totalement depolymerises.

On observe egalement une legere invagination de la membrane plasmique qui ceinture la celluleau niveau du plan equatorial, ce qui amorce la cytocinese.

4.12.5 La telophase

Elle commence quand les deux lots ont atteint chacun un pole du fuseau. Elle est marquee pa laformation d’un noyau dans chacune des cellules filles. A ce stade, les microtubules polaires perdentleurs connexions avec les poles er l’enveloppe nucleaire s’edifie a partir de vesicules du reticulumendoplasmique.

Les pores nucleaires apparaissent precocement a mesure que l’envloppe s’edidfie.Lorsque celle-ci est complete, le volume du noyau augmente tandis que les chromosomes se

decondensent et que la chromatine reprend son aspect interphasique. Cette decondensation s’ac-compagne de la repise des activites metaboliques des chromosomes, il y a a nouveau transcription. Lenucleole reapparait au niveau de l’organisateur nucleolaire.

4.12.6 La cytocinese

Lors de ladivision, un faisceau de microfilaments, paralleles entre eux, se met en place sous lamembrane plasmique. Ces microfilaments constitues d’actine forment un anneau concentrique appelesillon de division. Cet anneau est contracile et joue un role fondamental dans la cytocinese.

Lorsque ce sillon atteint la region mediane ou subsistent quelques microtubules polaires, l’anneaudisparait suite a la dispersion des microfilaments.

4.12.7 La mitose dans les cellules vegetales (particularites)

Etant donne la presence d’une paroi rigide et l’absence de centrioles dans les cellules vegetales, lamitose en leur sein est quelque peu differente.

On a la formation d’un fuseau mitotique sans diplosomes. Egalement, la presence d’une paroirigide entourant la cellule vegetale impose un certains nombre de limitations a la croissance cellulaire.L’edification d’une paroi entre les deux cellules filles lors de la mitose implique ainsi la participationde plusieurs organites cellulaires.

A la fin de la telophase, des saccules issus du reticulum endoplasmique lisse s’alignent au centrede la cellule et, en fusionnant, les uns avec les autres, viennent reconstituer la membrane plasmiqueentre les deux cellules filles. De plus les microtubules du fuseau ne disparaisent pas totalement desorte quela membrane plasmique nouvellement formee se trouve d’emblee perforee par des ouverturescorrespondant au passage de ces microtubules. Apres disparition de celles-ci, et formation de la paroi,cest trous formeront les plasmodesmes.

4.12.8 Chronologie de la mitose

La duree de deroulement de la mitose varie tres fort selon le type cellulaire mais dans tousles cas,la prohase est l’etape la plus longue.

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4.13 Le cycle cellulaire

Chaque type de cellule a une duree de vie caracteristique. Certaines cellules ne peuvent memeplus se diviser une fois qu’elles sont differenciees: tot ou tard, elles devront mourir.

Les cellules se divisent selon un cycle typique, appele cycle cellulaire qui va du moment ou lacellule est formee par divison jusqu’a la fin de sa propre division. Ce cycle comporte quatre phases:M, G1, S et G2.

Durant la phase mitotique (M), le noyau et le cytoplasme se divisent et forment deux nouvellescellules. Le reste du cycle forme l’interphase ou intercinese et comporte les trois autres phases.

La phase centrale S (synthese) correspond a la synthese de l’ADN cad a la duplication du materielgenetique en vue de la prochaine division cellulaire.

La phase G1 (Gap = intervalle)va de la naissance d’une nouvelle cellule jusqu’au debut de lasynthese de son ADN. La phase G2 se situe entre la phase S et la division cellulaire.

Dans la plupart des cas, l’interphase represente plsu de 90% du cycle cellulaire et c’est la dureede la phase G1 qui est la plus variable.

La replication de l’ADN au cours de l’intercineseimplique qu’une cellule diploıde qui entre enmitosepossede non seulement deux lots de chromosomes homologues mais que pour chacun de ceshomologues, il existe deux copies identiques , materialisees par l’existence de chromatides sœurs.

4.13.1 Le role des cyclines

Les cyclines jouent un role d’horloge biologique.Le declenchement de la mitose semble repondre a la stimulation d’un mecanisme dans lequel

intervient les cyclines et les proteines de la classe CdK. Il existe effectivement plusieurs points decontrole lors de la mitose (schema p117 haut).

Les proteines CdK (proteines kinases cyclines dependantes) sont des proteines regulatrices quiconsomment de l’ATP.

Le cycle cellulaire est sous la dependance d’un double controle:

– la production constante de cycline dont l’accumulation finit par declencher la mitose lorsquecelle-ci a atteint une concentration seuil.

– une serie de proteine CdK qui regulent le rythme cellulaire et qui permet d’allonger ou deraccourcir le cycle cellulaire. La production et la concentration intracellulaire des ces differentesproteines agiraient comme des horloges internes de la cellule. Le controle du cycle mitotiqes’exerce en differents points strategiques que sont les phases G1 et G2.

Des lors si pour une espece donnee, q est la quantite d’ADN presente dans un spermatozoıde,on trouve dans chaque noyau d’un organe autre que les gonades 2n chromosomes et 2q d’ADN justeapres une division et 2n chromosomes et 4q d’ADN avant la division suivante.

4.13.2 Les telomeres

On appelle telomere l’extremites des chromosomes. Ces regions sont formees d’ADN repetitif. Leurrole serait de proteger les extremites des chromosomes qui sont des zones fragiles de ces structures.

Les telomeres sont des regions hautement conservees du genome depuis des millions d’annees. Parailleurs, ces regions ont ete identifiees dasn un grand nombre d’especes animales comme vegetales.

Une des caracteristiques remarquables de ces telomeres est qu’ils sont faits de brins simples al’extremite 3’ de la double helice et qui se raccourcissent progressivement au cours de la vie d’unorganisme.

On a pu egalement determiner qu’ils jouent un role d’horloge mitotique et ils empechent l’atta-cheemnt bout a bout des extremites des chromosomes.

Il existe par aileurs une ADN polymerase appelee telomerase qui a pour fonction de rallonger lestelomeres en reconstituant les segments perdus. Elle agit comme une transcriptase inverse.L’enzyme

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est constituee d’une sous-unite catalytique qui forme un complexe avec une sequence d’ARN (11bases) complementaire de la sequence telomerique et qui sert donc de modele pour la synthese denouvelles sequences telomeriques.

(−CUAACCCUAAC−)

La telomerase est capable d’ajouter dess nucleotides a l’extremite 3’ du simple brin.Apres la fin du developpement embryonnaire, la telomerase est inactivee dasn les cellules soma-

tiques cq qui les condamnent a mourir au bout d’un certain nombre de divisions cellulairesen raisondu raccourcissement des telomeres. Par contre, dans la lignee germinale, latelomerase reste active cequi permeta ces cellules d’accompir une sorte de mise a zero de la longueur des chromosomes lors dela formation du zygote (l’embryon).

On peut remarquer que dans les cellules cancereuses, la telomerase est fortement active ce quiexplique l’”immortalite” de ces cellules.

4.13.3 La proteine P53

Lorsque se prodisent des erreurs de replication, la procuction d’une proteine appelee P53 estactivee. Celle-ci empeche (au niveau de la phase G1) la mitose de se produire et la cellule de sediviser. En se fixant sur l’ADN, elle empeche aussi toute forme de transcription. Dans certains cas,ce blocage conduit a l’apoptose de la cellule (mort cellulaire) empechant ainsi la proliferation et lapropagation des erreurs d’une generation a l’autre.

Ces erreurs de replication sont souvent la cause de cancer er donc la proteine P53 peut etreconsideree comme une proteine suppresseur de tumeurs. Lorsque celle-ci est mutee et des lors inactive,la replication n’est pas srtoppe et l’ADN endommage se propage de generation en generation dans lescellules filles.

4.13.4 La technique de la PCR (Polymerase Chain Reaction)

Cette technique permet d’obtenir en un temps tres court une quantite enorme de copies d’unesequence d’ADN donnee. Elle se base sur les proprietes de l’ADN et sur un ADN polymerase fonc-tionnant a haute temperature.

Principe de la methode:

1. un segment d’ADN double brin est denature par chauffage (les deux brins sont separes).2. On dispose d’un pool de courtes sequences d’ARN destinees a servir d’amorces (primer).3. Dans le milieu d’incubation, on ajoute a la preparation contenant l’ADN denature un exces

de sequences ARN primer. On la refroidit alors afin de permettre l’hybridation antre ADN etprimers.

4. On ajoute ensuite de l’ADN polymerase et on laisse se derouler un premier cycle de po-lymerisation de lADN complementaire.

5. En remontant la temperature, on denature les nouveaux brins synthetises. On repete alors lesoperations un nombre indefini de fois juqqu’a l’obtention de la quantite desiree de l’ADN initial.

4.14 Las caryotypes

Les caryotypes permettent de determiner d’une part le nombre de chromosomes par cellule etd’autre part la forme des chromosomes.

L’observation de caryotypes d’un grand nombre d’especes a permis de preciser que pour une especedonnee, le nombre et l’aspect des chromosomes metaphasiques sont identiques d’un organe et d’unindividu a l’autre.

Chez les animaux pluricellulaires, ces chromosomes sont en general semblables deux a deux. L’as-sortiment chromosomial comporte alors n paires de chromosomes homologues et le cellule est dite

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diploıde. En revanche, les cellules germinales des ces memes organismes ne possedent qu’un seulassortiment de xhromosomes, elles sont dites haploıdes.

4.15 La meiose

Il s’agit d’un mode de division cellulaire directemetn et exclusivement lie a la reproduction sexuee.Elle constitue une etape essentielle de la spermatogznese et de l’ovogenese.

Les cellules diploıdes d’un organisme comportent deux assortiments de chromosomes: l’un venantdu pere, l’autre de la mere. Ces assortiments sont qualifies d’homologues.

La meiose est un processus long et complexe qui comporte deux divisions successives qui ne sontpas separees par une interphase. Il n’y a donc pas de replication de l’ADN entre les deux divisions.Au terme de ces deux divisions, une cellule diploıde produit quatre cellule haploıdes.

4.15.1 Division 1

Comme la meiose produit des noyaux haploıdes a partir de noyaux diploıdes, elle doit permettre auchromosomes homologues de la cellule de se repartir de facon precise en deux groupes contenant chacunun membre de chaque paire de chromosomes. Les evenements qui permettent ce tri se produisent lorsde la prophase I.

Les chromosomes trouve son homologue et ils s’alignent l’un en face de l’autre sur toute leurlongueur. Ils sont maintenus par un complexe proteinique appele synaptoneme. Comme les chromo-somes ont deja ete repliques pendant la phase S, le groupe resultant comporte quatre chromatides outetrade. Le processus d’appariement des chromosomes porte le nom de synapsis.

Au sein des tetrades, des phenomenes d’enjambement des chromatides non sœurs assurent jus-qu’a l’anaphase la coherence entre chomosomes homologues. Les points d’enjambement sont appeleschiasmas.

A ce niveau ces chromosomes peuvent echanger des portions de chromatides par un mecanismede recombinaison genetique: le crossing over.

Au cours d l’ovogenese, c’est pendant la prophase I que se realise l’accumulation des reserves ouvitellogenese. Le noyau presente, pendant ces phases de synthese, ds aspects particuliers des chroma-tides et des nucleoles lies a l’activite metabolique.

Au cours dela metaphase I, toutes les tetrades s’alignent pour former la plaque equatoriale. Cahquechromosome fait face a son homologue, de part et d’autre de l’equateur et ne presente de microtu-bules kinetochoriens que sur la face orientee vers un pole. Cette disposition permet la separation deschromosomes homologues au moment de l’anaphase.

Pendant l’anaphase I, les centromeres restent intacts, de sorte que les deux chromatides de chaquechromosomes se deplacent ensemble vers un pole du faisceau tandis que les deux autre chromatidesdes la tetrade se deplacent vers le pole oppose. Chaque group de chromosomes s’organise alors en unnouveau noyau durant la telophase I.

En resume, la division I reduit un noyau diploıde en deux noyaux haploıdes, contenat des chro-mosomes deja dupliques. C’est la raison pour laquelle la division I est parfois appelee divisionreductionnelle.

4.15.2 Divsion II

Elle se resume essentiellement a la division mitotique d’un noyau haploıde en deux nouveauxnoyaux haploıdes. Elle est plus rapide que la division I.

Pendant la prophase II, un fuseau se forme dans chacune des deux cellules filles. Lors de lametaphase, les chromosomes forment une plaque equatoriale, les centromeres se separent liberant leschromatides sœurs sous la forme de chromosomes individuels. Ces derniers se separent ensuite endeux groupes et, au moment de la telophase II, ils s’organisent en deux noyaux haploıdes. Comme

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la division I avait produit deux cellules haploıdes, la division de celles-ci donne un total de quatrecellules haploıdes.

4.15.3 La recombinaison genetique

La meiose assure le maintien du nombre de chromosomes a travers les generations chez les especes areproduction sexuee mais elle entraine aussi un brassage du materiel genetique permettant la formationde nouvelles combinaisons.

La meiose assure la recombinaison genetque de deux facons:

– par le production de nouveaux assortiments de chromosomes lors de l’anaphase I,– par l’echange de segmentsentre chromosomes homologues lors de la prophase I.

Les nouveaux assortiments de chromosomes resultent de la facon dint les chromosomes homologuesse repartissent a l’anaphase I. Dans cahque cellule fille, un chromosome a autant de chances de seretrouver avec l’un ou l’autre representant de chacune des autres paires de chromosomes homologues.

En generalisant, on peut dire que la segregation de n paires de chromosomes entre deux celluleshaploıdes peut donner naissance a 2n combinaisons differentes.

Le crossing over impliquent la cassure des doubles helices d’ADN maternelle et paternelle dechacune des deux chromatides et leur reunion croisee par un processus de recombinaison gentique.Cela a pour resultat de placer sur le meme chromosome des genes qui se trouvaient auparavant surdes chromosomes differents et vice-versa.

Le crossing over a pour effet de combiner sur une meme chromatide des genes provenant les unsdu pere, les autres de la mere.

Par recombinaisons genetiques, les indivicus sexues engendrent une descendance d’une diversiteimprevisible dont les genotypes, qui ne sont dus qu’au hasard, ont au moins autant de chances derepresenter un changement nefaste qu’un changement benefique. L’avantage est que si un parentengendre une nombreuse descendance possedant une grande variete de recombinaisons genetiques; ily a plus de chances pour qu’un de ses descendants au moins possede l’assortiment necessaire a lasurvie.

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