Éléments de Biologie Cellulaire, de Cytologie et d`Histologie

Éléments de Biologie Cellulaire, de Cytologie et d’Histologie
préparatoire à l’étude du Système Nerveux et des glandes
endocrines
Plan du cours
1. Introduction : La Cellule - Théorie Cellulaire - Techniques d’étude
2. Chimie - Biochimie préparatoire à l'étude de la cellule
3. La Membrane Cellulaire - Les Protéines - Les Compartiments cellulaires
4. Énergétique Cellulaire - La Mitochondrie - La Glycolyse – L'ATP
5. Le Cytosquelette
6. Le Noyau cellulaire (ADN) - La Réplication - La division cellulaire (Mitose & Méiose)
7. La Synthèse protéique - La Transcription - La Traduction
8. Le réticulum endoplasmique – Golgi – Lysosomes
9. La Communication Cellulaire – Transduction des signaux
10. Développement Embryonnaire – Les quatre types de Tissus
11. (Le Système Nerveux Central – Le Neurone et l'Astrocyte)
12. Hormones et notions d'Endocrinologie
13. Endocrinologie de la Reproduction
1. Introduction : La Cellule - Théorie Cellulaire - Techniques d’étude
"Tout ce qui est généralement commun aux végétaux et aux animaux comme toutes les facultés qui
sont propres à chacun de ces êtres sans exception, doit constituer l'unique et vaste objet d'une
science particulière qui n'est pas encore fondée, qui n'a même pas de nom, et à laquelle je donnerai
le nom de biologie." Jean-Baptiste Monet, chevalier de Lamarck (1744-1829)
La cellule… c'est une membrane qui sépare le milieu intracellulaire du milieu extracellulaire.
La matière essaie une nouvelle façon d'être, qui résiste au pouvoir dévastateur du temps. De
minuscules bulles fermées qui inventent le dedans et le dehors, comme autant de monde clos, plus
petits que des grains de sable.
La cellule est la plus petite unité capable de manifester les propriétés du vivant.
1
La Cellule: Généralités
Unité de base de tous les organismes vivants
Différents types de cellules forment les plantes et les animaux, microorganismes.
L'organisme humain contient environ 200 types cellulaires différents variants selon la taille, la
forme, les fonctions, la capacité de division.
Les cellules sont regroupées en tissus, les tissus sont regroupés en organes
La Cellule : les Dimensions
La majorité des cellules ont des dimensions comprises entre le 1/10 de millimètre et le 1/200 de
millimètre donc entre 5 et 100 Micron (1 μm = 10-6 m).
Autres préfixes : nanomètre : 10-9 m et picomètre : 10-12 m
Les bactéries ont des dimensions entre 1 et 5 micron, les virus entre 20 et 400 nanomètre, l'atome de
0,1 nm.
Échelle
A l'œil nu, on peut voir du km jusqu'au dixième de millimètre, avec un microscope optique on peut
voir du demi centimètre jusqu'un peu en dessous du micron, avec le microscope électronique, on
peut aller de 100 micron à un peu en dessous du nanomètre.
Un peu d'histoire
Apparition du mot cellule : en 1665, Robert Hooke dans «Micrographia» (recueil de dessins où
apparaît pour la première fois le mot «Cellule»). Il a inventé le premier microscope. Il observait un
morceau d'écorce de Liège et il vit des petits espaces entourés de parois d'où le nom cellules qu'il
donna à ces structures.
En 1673, Antonie Van Leeuwenhoek crée un nouvel instrument : À « nouvel instrument »; « nouvel
Univers »… (Huygens). « Je n’ai rien vu d’aussi agréable que ces milliers d’êtres vivants réunis
dans une seul petite goutte d’eau ». Le microscope est ainsi à l'origine de la découverte de la cellule,
unité de base du vivant. Antonie était un drapier, il a créé cette instrument avec une bille de verre
pour observer la qualité des draps. Ensuite, il a observé l'eau, le sang, le sperme... Le grossissement
obtenu avoisinait les 300 fois.
En 1884 sort le premier périodique traitant de la cellule.
La vie...
Aristote (-4°s) : la vie résulte de la rencontre entre un principe passif, la matière, inerte et informe
et un principe actif, l'âme qui imprime à la matière son organisation complexe, son mouvement, son
énergie, sa vitalité.
Le principe de la génération spontanée était populaire durant les 16ème et 17ème siècles. Cette idée
n'a pas été remise en cause par de grands scientifiques tels que Sir Isaac Newton et Descartes. Elle a
été remise en cause par Pasteur au 19ème siècle.
La théorie cellulaire
Par Th. Schwann - M. Schleiden – (1839) (Virchow), la théorie cellulaire repose sur 3 axiomes:
2
1. La cellule est la plus petite entité vivante.
2. Tout être vivant est composé de cellules.
3. Toute cellule provient d'une autre cellule « Omnis cellula e cellula » (Rudolph Virchow,
1858). Mais d'où vient la toute première cellule?
La vie sur le plan biologique
Elle est indissociable de l’existence de la cellule.
Elle se base sur une organisation évolutive de la matière qui s’est complexifiée et organisée avec la
capacité de répliquer une « structure organisée ».
Définition historique en relation avec les techniques de microscopie, de coloration et de marquage:
les trois axiomes de Schleiden, Schwann et Virschow.
Définition dynamique (à partir d’un substrat matériel, support d’une information, traversé par un
flux d’énergie): La vie est la capacité à maintenir et à reproduire une structure complexe. La vie est
la capacité qu'ont les molécules et les atomes de s'assembler en structures organisées autoreproductibles.
La première cellule?
Toute cellule provient d'une autre cellule « Omnis cellula e cellula » (Rudolph Virchow, 1858)
La vie - Définition
La vie est une manifestation de la matière, une « propriété émergente » qui apparaît spontanément
dans certaines conditions. Les « premiers pas » de la « vie » sur notre planète consisterait en
l’assemblage à partir de petites molécules simples (H2, H2O, C02, CH4, NH3, …) de macromolécules
de plus en plus complexes, qui en s’auto-organisant auraient mené à l'apparition de(s) la première(s)
proto-cellule(s).
3
Formation de la Terre
La terre a été formée il y environ 4,5 milliards d’années.
La composition atmosphérique supposée était composé d’éléments simples: ammoniaque, eau,
méthane, hydrogène, C02
Il n'y avait pas de vie…
Quel environnement ?
Les impacts d’astéroïdes et les éruptions volcaniques sont à l’origine de l’atmosphère primitive.
L'atmosphère contenait du CO2, N2, vapeurs d’eau, gaz sulfurés. L'Hydrogène bien que trop léger
n'était pas dissipé dans l’espace. Il était présent et associé en macro-molécule.
Le CO2 a produit l'effet de serre.
Le magma refroidit a formé une croûte solide et la vapeur d’eau s’est condensée pour former les
océans
Expérience de Stanley Miller et Chimie Pré-Biotique
En 1952, un chercheur de l’université de Chicago démontre la formation de molécules organiques
complexes à partir de composés chimiques simples, que l'on pense présent sur terre il y a 4,5
milliards d’années.
Il mélange du méthane, de l'ammoniaque, de l'eau et de l'hydrogène qu'il chauffe et amène en phase
gazeuse. Ce mélange reçoit des « Décharges électriques » entre deux électrodes… et il analyse la
composition de la « mixture » au bout d’une semaine….
Les décharges électriques permettent de donner de l'énergie à la mixture.
H2 + ½ O2 --> H2O + beaucoup d'énergie
Synthèse “abiotique” de composés organiques
4
L'expérience de Miller a été reproduite depuis 1952 et ses résultats confirmés.
En plus des Acides Aminés on a trouvé des molécules “critiques” de la chimie de la vie : purines,
pyrimidines, sucres.
Abiotique signifie non-vivant mais que les biotiques ont besoin pour survivre.
Protocole de Miller « modifié »
En 1961 : J. Oro ajoute HCN (acide Cyanhydrique) --> on obtient les acides aminés et les bases
puriques : Quantité importante d’Adénine (ADN, ARN, ATP)
Ensuite, on ajoute de l'urée, du HCHO (formaldéhyde) et de l'HCN (acide cyanhydrique) --> on
obtient des Pyrimidines (Cytosine, Thymine, Uracile), des sucres et 18 acides aminés sur les 20
acides aminés biologiques.
Expérience de Miller- Restrictions
Les conditions « réductrices » sont indispensables à l’apparition de molécules complexes. Il faut
une présence d’hydrogène (donneur d’électrons) pour que la réaction ait lieu. Si l'hydrogène est
remplacé par du CO2 il n'y a pas apparition de molécules organiques complexes!
En 1833 – Léonides: poussières émises par la comète Temple.
Météorites
Au début de la formation de la terre le bombardement par les météorites est estimé comme étant 10
milles fois plus important qu’à ce jour.
Actuellement, il y a 10 à 20 tonnes de micro-météorites/an (taille < 0,5mm) et 100 tonnes de
météorites de plus de 100 grammes
Panspermie - les Faits...
La panspermie est une théorie scientifique qui affirme que la terre aurait été fécondée de l'extérieur
par des moyens extra-terrestres.
Observation :
Des molécules organiques simples sont présentes dans la poussière interstellaire.
Des molécules organiques plus complexes sont présentes au niveau des météorites et des comètes.
L'énergie est générée à partir du rayonnement des étoiles (fonte glace)
Ces comètes ont croisé l’orbite terrestre
Les composés chimiques proviennent des météorites
Il y a 90 Acides Aminés répertoriés dont 19 existent sur Terre
Il y a des Acides Aminés retrouvés dans la météorite de “Murchison”
Déduction :
Les AA sont stables chimiquement dans des conditions extrêmes et l'ensemencement de la planète a
pu être fait par des Acides aminés « embarqués»
On a donc tous les ingrédients mais comment se sont-ils assemblé pour former la première cellule?
5
Propriétés Physicochimiques des Macromolécules
Huile + Eau : pas la même densité, et l'huile n'est pas soluble, donc l'eau reste en bas et l'huile au
dessus.
Huile + Eau & Alcool : l'alcool est soluble dans l'eau et de cette façon, les deux phases ont la
même densité. On a donc formation d'une sphère car c'est plus stable Pourquoi??
--> liposome
Biochimistes et Origines de la vie
En 1922, A. Oparine – Haldane : les molécules présentes dans la “soupe primitive” ont une
tendance à s’auto-organiser avec formation de « Coacervats » (molécule qui n'aime pas l'eau)
(Vésicules Lipidiques)
Les vésicules lipidiques
Auteur : Morowitz (88)
L'association de molécules amphiphiles (qui contiennent à la fois un groupe hydrophile et un
groupe hydrophobe) forme des vésicules entourées par une « bicouche ». La lumière est utilisée
pour former un gradient électrochimique ce qui aboutit à la synthèse de nouveaux composés.
6
Propriétés des coacervats
Auto-organisation moléculaire
•
Sélectivité des molécules incorporées
•
« croissance »
•
Fragmentation
Des macromolécules en solution peuvent
conduire à la formation de gouttelettes colloïdales
en suspension dans une solution aqueuse, forme
simple de compartimentation --> Gouttelettes
limitées par des polymères qu'ils appelèrent
coacervats, protéinoïdes ou microsphères. Ces
gouttelettes présentaient certaines caractéristiques
de cellules. Elles se révélèrent en effet capables
d’abriter des réactions élémentaires comme
l’accumulation transmembranaire de substances
ou le transport d'électrons à l'image d'un
métabolisme primitif. Les coacervats ne
correspondent pas aux premières cellules
vivantes, d'autant qu'ils sont constitués de
matériaux résultant du métabolisme cellulaire
actuel. Ils peuvent constituer cependant des
modèles de fonctionnement chimique d'unités
séparées de leur milieu par une membrane.
Qu'est-ce qu'il y a à l'intérieur?
LE MONDE ARN (Acide Ribo Nucléique)
Évolution « Biologique »
Le génome de ces premières cellules était sans doute constitué par des molécules d'ARN et non pas
d'ADN.
Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce encodé dans son
ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est porté par des molécules d'ARN). Il contient
en particulier toutes les séquences codantes (traduites en protéines) et non-codantes (transcrites en
ARN, non traduites).
Contrairement à l'ADN, l'ARN peut en effet jouer à la fois le rôle d'enzyme et de matériel
génétique.
7
Auto-réplication ARN
Les monomères se polymérisent par déshydratation
En 1982 - Tom Cech ( Université du Colorado – prix Nobel de chimie en 1989) : ARN possède des
propriétés catalytiques
L’auto-réplication de la molécule d’ARN la rend candidate comme molécule vivante.
Si on met l'horloge terrestre sur 12 heures représentant les 4,5 milliards d'année, la vie est née à
1h52 (LUCA : dernier ancêtre commun à toutes les cellules qui existent actuellement), et l'homme
est apparu à 11h59 et 30 secondes.
Stromatholites : « Tapis de pierre »
Nés il y a 3,4 millions d'année
Fines lamelles superposées provenant
métabolisme des premiers microorganismes
du
« Filaments » constitués de cellules bactériennes
en colonie
On les retrouve dans la roche.
Classement du simple au complexe, les cinq règnes de la classification de Whittaker : les monères
(Organisme procaryote – organisme unicellulaire), les protistes, les mycètes (organisme qui
appartient au groupe des eumycètes, sorte de champignon), les végétaux et les animaux.
Cyanobactéries et photosynthèse : Formation de l’atmosphère
La fonction de ces bactérie est de produire de l'oxygène. Elle est née il y a 2,7 millions d'années.
8
Présentation de la Cellule
EUCARYOTE (contient un noyau): Cellules animales & végétales & unicellulaires
PROCARYOTE (pas de noyau): Bactéries, Archaebactéries. Microorganismes --> règne des
monères.
Procaryote
Eucaryote
Bactéries et Archaebactéries
Eucaryotes unicellulaires
9
Première forme de vie, il y a 4 milliards Apparaissent il y a 1,8 milliards d'années
d'années
Fonctions
cellulaires
compartimentalisées
(organites)
Pas d'organistes entourés de membranes
ADN sous forme de chromosomes dans le noyau
ADN sous forme d'une boucle, pas de noyau
Certaines possèdent une paroi autour de la
membrane plasmique. Celle-ci est composée
d'une structure polyssacharidique. Cette
caractéristique sensibilise ces microorganismes à
certaines substances médicamenteuses de la
classe des pénicillines.
La Cellule Eucaryote : Constituant Principaux
La membrane est une double couche de lipides sertie de protéines entourant la cellule, la séparant
du milieu « extracellulaire »
Le cytoplasme est l'espace aqueux intracellulaire dans lequel on trouve des protéines en solution à
des concentrations strictement définies ainsi que diverses molécules. Le tout créant un
environnement où les possibles sont réductibles à certaines lois physicochimiques.
Les organites sont entourées d'une membrane lipidique. Il y a confinement de certaines protéines
spécifiques dans ces organites.
Noyau : entouré d'une double membrane lipido-protéique
Exemple : la cellule végétale
Présence de vacuoles (régulation de la turgescence). Lorsque l'eau entre dans la cellule végétale, la
vacuole se remplit et grossit et ses membranes se tendent. On parlera alors de turgescence des
cellules. L'eau des cellules exerce une pression sur leur paroi et donnent de la rigidité aux parties
souples de la plante (tige, feuille, jeunes pousses,...)
Présence de chloroplastes, organites comprenant la chlorophylle, permettant la photosynthèse. Il
permettent de transférer l'énergie véhiculée par les photons à des molécules chimiques.
Appareil de Golgi
Mitochondrie, ribosome libre, ribosome sur le réticulum, noyau, réticulum endoplasmique rugueux,
membrane, parois cellulosique
Exemple 2 : la cellule animale
Ribosomes sur le réticulum, réticulum endoplasmique Rugueux, Appareil de Golgi, Noyau,
Mitochondrie, Cytoplasme, Ribosomes « libres », Réticulum endoplasmique Lisse, Membrane
Cellules nerveuses
Ces cellules ont un prolongement appelé axone qui peut mesurer plus d’un mètre. C’est celui-ci qui
conduit l'information sous forme d'un courant électrique (dépolarisation) jusqu’à la synapse. En
effet, les cellules neuronales ne se « touchent pas » et communiquent entre elles par des signaux
chimiques qui traversent l’espace qui sépare deux cellules neuronales (la synapse).
Cellules musculaires
Leur fonction est la contraction. La différenciation cellulaire de la cellule musculaire conduit à
10
l’expression majoritaire de deux types principaux de protéines (la myosine et l’actine).
Cellules de la peau
Ce sont des cellules aplaties, formant des couches superposées couvrant de grandes surfaces et
ayant pour fonction principale un rôle de protection mécanique et de recouvrement.
Cellules sanguines
Le sang comprend de différents types cellulaires tels que ; les globules rouges (cellules anucléées =
sans noyau) contenant la protéine responsable du transfert de l'oxygène aux tissus appelée «
hémoglobine »; les leucocytes (globules blancs), cellules immunitaires qui ont pour fonction la
défense face aux infections, fonction exercée par le biais de la production d'anticorps, ou de cellules
possédant des propriétés cytotoxiques.
Cellules intestinales
C’est une cellule épithéliale, qui a pour fonction l’absorption sélective des nutriments. Les cellules
épithéliales ont une organisation polarisée. Une face est en regard du monde extérieur (face apicale)
une autre est dite basale ou basolatérale et regarde le monde dit intérieur (Claude Bernard).
Taille de différents éléments cellulaires
Cellules
Noyau
Mitochondries
Protéine filamenteuse (collagène)
Microtubules
Ribosomes
Membranes
Microfilaments
Protéine globulaire (myoglobine)
Double hélice d'ADN
Atome d'hydrogène
10-50 μm
5-10 μm
1-4 μm
100 nm
24 nm
15-20 nm
5-10 nm
8 nm
3-4 nm
2 nm
0.1 nm
Les virus
Les virus ne sont pas vivant. Ils n'ont pas la capacité de dupliquer de manière autonome. Ils ne
produisent pas de substrats énergétiques mais... ils possèdent un « génome ». Celui-ci contient les
instructions pour se dupliquer mais il utilise la machinerie de la cellule pour le faire. Le virus ne
survit pas en milieu « non-vivant ». Ils vivent en parasite dans les cellules.
La Microscopie
Il existe plusieurs type de microscope:
Photonique ou optique
Classique (lumière visible) : agrandissement 2000 fois. La résolution est limitée par la longueur
d'onde de la lumière visible. Permet de voir une petite bactérie.
À Fluorescence (lumière monochromatique): réaction immunologique à l’aide d’anticorps
« marqués » par une substance fluorescente. Intérêt : Observation sélective d’une protéine parmi les
autres. Cette « immunocytochimie » est basée sur la reconnaissance « antigène » (séquence en AAs
d'une protéine) et « anticorps » (protéine qui reconnait cette séquence). L'anticorps est marqué par
une substance fluorescente et « pêche » la protéine d'intérêt.
11
À Contraste de phase : l'indice de réfraction n'est pas le même pour chaque partie de la cellule.
Électronique : on augmente la résolution en utilisant des électrons à la place des photons, ceci en
conjonction avec une préparation spécifique de l'échantillon.
À transmission ou À balayage -comme par exemple pour les globules rouges.
Principe : agrandissement par utilisation de lentilles électromagnétiques et d'un faisceau d'électrons:
résolution 0.2 nm
Fixation : glutaraldéhyde et tétraoxyde d’Osmium
Inclusion et coupes : résines époxy et ultramicrotomes (coupes de 25 à 100 nm)
Colorations au métaux lourds : acétate d'Uranyle, citrate de plomb
La résolution
C'est la faculté de reconnaître deux points proches comme distincts. Elle est fonction de la longueur
d'onde du rayonnement utilisé (lumière visible). Il existe une résolution maximale théorique pour
chaque type de microscope en relation avec le type de rayonnement électromagnétique utilisé ou
des particules employées. Il vaut la moitié de la longueur d'onde en nm.
Ce n'est pas la même chose que l'agrandissement
Techniques utilisées en Cytologie et Histologie : Préparation des tissus
Préparation Cellulaire et Tissulaire
But : préservation de la structure et de l'architecture de la cellule ou du tissus (suivi d’une
coloration).
Plusieurs étapes:
1. Fixation : Elle permet d'empêcher la dégradation du tissu.
◦ Agents chimiques : formol, acétone
◦ Agent physique : congélation azote liquide à -180° C
2. Inclusion :
◦ Déshydratation par bain d’Alcool, Toluol (car paraffine n'est pas miscible dans l'alcool)
qui dissolvent les lipides de la cellule qui seront remplacés par le milieu d'inclusion.
◦ Donne aux pièces la rigidité nécessaire à la coupe (bain de paraffine rendue liquide par
chauffage)
3. Coupe : permet l’observation au microscope
◦ « Microtome » : coupe de 1 à 8 μm (couteau spécial sur support)
◦ « Ultratome » : coupe de 0.02 à 0.1 μm (Microscopie électronique)
◦ « Cryostat » pour préparation congelée
4. Coloration (avant ou après la coupe???)
◦ La cellule est peu claire et transparente et selon l'affinité différentielle de certains de ses
organites ou membranes aux différents colorants, on obtient des marquages différentiels,
mettant en évidence sa composition.
12
◦ Microscopie photonique
▪ Les colorants Acides : Éosine Orange (Cytoplasme)
▪ Les colorants Basiques : Hématoxyline et Bleu de toluidine (Noyau)
◦ Microscopie électronique
▪ Imprégnation métallique par des sels de métaux lourds (Osmium, Acétate d’Uranyle)
- Arrêtent (ME à Transmission) ou Diffractent les électrons (ME à Balayage))
Autres techniques utilisées en biologie cellulaire permettant l'étude de la cellule:
•
La séparation d'éléments cellulaires (centrifugation différentielle) à l'origine de la
découverte des lysosomes.
•
La culture des cellules in vitro
•
Le marquage sélectif par des isotopes radioactifs de protéines
•
Les techniques de biologie moléculaire: séquençage d'ADN...
Organisation de la cellule:
La Cellule comprend un grand nombre de molécules qui établissent entre-elles des interactions. Elle
contient des organites tel que le noyau (Information génétique (ADN)) et les vésicules (Transport
du matériel), le cytosquelette qui permet le maintien de la forme de la cellule (squelette cellulaire),
l'ancrage des éléments cellulaires (fuseau mitotique pour les chromosomes) et le transport des
organites et des vésicules.
2. Chimie - Biochimie préparatoire à l'étude de la cellule
Chimie
Étude de la matière (propriétés, transformations)
Atomes
Éléments « indivisibles ». La division de l'atome par fission nucléaire en ses particules élémentaires
conduit à la perte des propriétés physiques de l'atome.
Particule d ’un élément chimique qui forme la plus petite partie capable de se combiner (tableau de
Mendeleïev). On compte 110 éléments classé selon la masse M et la charge Z.
Molécules :
Les atomes s'assemblent en échangeant leurs électrons (liaison chimique) formant ainsi des
molécules.
Il y a différents types de liens : covalents - ioniques - liens H (Hydrogène) (lien lié à la molécule
d'eau qui est polaire).
L'atome
Particule d'un élément chimique qui forme la plus petite quantité susceptible de se combiner
Il est composé de:
13
Un noyau avec un (des)
•
Proton - Possède une Masse (1) et une charge électrique positive (+1)
•
Neutron - Possède une Masse (1) et est électriquement neutre (0)
Une ou des orbitale(s) avec un (des)
•
Électron - masse négligeable (0) et une charge électrique négative (-1)
•
Les électrons gravitent autour du noyau et confère à l’atome sa « réactivité ». C'est le
nombre d'électrons sur la dernière couche qui donne sa réactivité à l'atome. Avec 8
électrons, l'atome est stable. La première couche compte toujours maximum 2 électrons, la
seconde maximum 8, la troisième 18, la quatrième 32 et la cinquième 18. Une orbitale est
une probabilité de présence d'un électron, elle peut être représentée comme un nuage de
point.
On appelle valence d'un atome le nombre de paires d'électrons partagés avec d'autres atomes.
Exemple : la molécule d'eau
L'oxygène a 6 électrons sur sa dernière couche, s'il partage ses électrons avec l'hydrogène, celui-ci
amène son électrons et le partage ce qui stabilise la structure --> H2O (eau)
Dans le tableau périodique, la numéro de la colonne indique le nombre d'électrons sur la dernière
couche. Z est le nombre d'électrons ou de protons (la charge), le nombre de masse M vaut donc 2
fois Z. (nombre de proton + nombre de neutron). Z est aussi appelé le numéro atomique et M le
nombre de masse. La masse atomique n'est pas forcément égale au nombre de masse car les
éléments ont au moins deux variétés d'atome appelés isotopes.
L'hydrogène a une charge de 1 et une masse de 1. Il contient 1 électron, 1 proton et aucun neutron.
L'oxygène a une charge de 8 et une masse de 16, il contient donc 8 électrons (2 sur la première
couche et 6 sur la suivante), 8 protons et 8 neutrons.
La terre est composée à…. 88 % d'aluminium, de fer, d'oxygène, de silicium
Le corps humain est composé à … 97 % d'hydrogène 65 %, oxygène 18,5 %, carbone 9,5 %, azote
3,2 %
L'atome de carbone a une charge de 6 et une masse de 12, il contient donc 6 électrons, 6 protons et
6 neutrons. Il existe aussi d'autre isotopes du carbone, le nombre de neutron est variable, le carbone
14 par exemple a 2 neutrons en plus, ce qui le rend instable et sujet à la fission. La durée de demi14
vie est différente. Le carbone 14 permet d'estimer l'age des fossiles. Les isotopes sont des éléments
qui possèdent un même nombre de protons mais un nombre variable de neutrons et donc une masse
atomique différente. Certains enzymes cellulaires utilisent préférentiellement un type d'isotope pour
un élément donné. C'est sur cette variation d'utilisation par les êtres vivants et l'instabilité des
isotopes que se basent les méthodes de datation radioactive par couple d'isotopes.
La Chimie du Carbone
Les hydrocarbures : CnH2n+2. Exemple : méthane CH4
Les hydrates de carbone (sucres) : Cn(H20)m
Les Lipides (Hydrocarbures + Tête polaire) (Atomes : C, H, O, P)
…et aussi les acides aminés (Atomes : C, H, O, N)
Les groupes fonctionnels
Variétés de radicaux associés à des molécules organiques et qui vont leur conférer des “formes” et
une réactivité spécifique (propriétés physico-chimiques)
•
R- OH (alcool)
•
R = O (cétone)
•
R- NH3 (Amine)
•
R- PO4 (Phosphate)
•
R- COOH (Carboxyle) (groupement acide) ...
Concentration - Molarité (M)
Une mole de substance contient 6.023 x 1023 atomes ou molécules (6.023 x 1023 est le Nombre
d’Avogadro). Les poids moléculaires sont exprimé en kilo Dalton. Le dalton étant la masse
atomique de l'hydrogène.
La molarité est le nombre de moles de substance par litre de solution
Donc une mole d'un atome hydrogène = 1 g, une mole d'un atome carbone = 12 g, une mole de
molécule d'eau = 18 g, une mole de molécule de sucre C 6H12O6 = 180 g. Une solution contenant une
mole de glucose contient 180g de glucose dissous dans un litre d'eau. Le poids moléculaire de l'eau
est 18.
Réactions chimiques = Mise en commun d’électrons entre atomes et molécules
Valence = Nombre de paires d’électrons qu’un atome peut partager avec d’autres atomes
Réactivité chimique - Règle de l’octet : Couche externe de l’atome est stable quand elle contient 8
électrons. Exemple : 4 H + C = CH4. Le carbone a 4 places libres qui sont chacune remplie par un
électron d'hydrogène.
Exemple : Hydrogène : valence 1, Oxygène : valence 2, Carbone: valence 4, He : valence 0, l'hélium
est un gaz rare non réactif.
Type de liaisons chimiques
Lien Covalent : mise en commun d’électrons entre atomes (H2 + 02 --> H20) 50 à 110 KCal/mole
15
Lien Ionique : partage “inégal” d’électrons entre atomes, attraction entre des éléments portant des
charges opposées. Par exemple Na+ et Cl- dissous dans l'eau, le lien est moins fort, 3 à 7 Kcal/mole
Lien Hydrogène : liens de “faibles Énergie” - “Temporaires”, partage d’un atome d’Hydrogène, 3 à
7 Kcal/mole. Ces liaisons temporaires sont à la base d'une série de propriétés et de reconnaissance
entre partenaire protéiques.
Réactions & Équations
Réactifs <--> Produit(s) ± Énergie. Par exemple: C + O2 --> CO2 + Énergie
Loi de conservation de la masse de Lavoisier : l'équation doit être équilibrée. Par exemple Na + ½
Cl2 -->NaCl ou 2 H2 + O2 --> 2 H2O + énergie
La Molécule d’Eau (H20)
Elle représente ± 80% de la masse du vivant.
Les réactions chimiques du vivant sont incompatibles avec l’absence d’Eau
C'est une molécule polaire (un dipôle) : L'électron de l'hydrogène est capté par l'oxygène, l'électron
reste plus proche de l'oxygène car l'oxygène est plus électronégatif que l'hydrogène.
Lien hydrogène entre les différentes molécules d'eau, ce qui explique que l'eau est liquide à
température ambiante. Ce lien n'est pas stable.
Les molécules d’eau sont chargées : les atomes d’oxygène sont légèrement négatifs et les atomes
d’hydrogène sont légèrement positifs. L'attraction entre les charges opposées forme les liens
hydrogène. Ce sont des liens de faibles énergie, très répandus et qui jouent des rôles essentiels en
biologie.
Hydrophile : liaison favorisée avec d'autres molécules polaires
Hydrophobe : pas de liaison avec des molécules apolaires.
Les propriétés importantes de la molécule d'eau
Solvant : propriété en relation avec la polarité de la molécule d’eau (moment dipolaire). Les
Molécules chargées ou ionisées, tel que les sels (ex : NaCl : liaison ionique entre Na+ et Cl- brisée
par l'eau, les ions positifs se place près des oxygènes et les ions négatifs près des hydrogènes), les
sucres, les acides-aminés se dissolvent facilement dans l’eau (composés hydrophiles). Les
molécules non chargées (lipides) ne se dissolvent pas dans l’eau –> composés hydrophobes. Cela
permet les échanges et les transports de molécules.
Chaleur spécifique élevée. Inertie calorifique importante (maintien d’une température constante).
Chaleur de vaporisation importante. Maintien de l’homéostasie : on transpire pour réguler notre
température.
Densité : La glace est moins dense que l’eau (Iceberg). Dans la glace les liens hydrogène sont
16
stables.
Cohésion - tension superficielle (les insectes marchent sur l'eau) : tension de surface élevée, un filet
d'eau est repoussé par une latte chargée d'électricité statique- capillarité (sève – (plantes)). La
tension superficielle est due aux liaisons hydrogènes.
Lien hydrogène : la protéine de la soie
L'équilibre Acido-Basique - Le Potentiel Hydrogène (pH)
L'eau se dissocie spontanément, mais très faiblement selon l'équation H2O <--> H+ + OH-.
On mesure de l’acidité d’ une solution. Si la concentration en H+ est plus grande que celle en OH-, la
solution est acide, le pH est faible. Si la concentration en OH- est plus grande que celle en H+ : la
solution est basique, le pH est grand.
Le pH varie de 0 à 14, 7 correspond à un pH neutre, la concentration en H+ et OH- est identique.
L'ion Hydrogène ( H+ ) est un simple Proton, OH- est l'ion hydroxyle. Les ions H+ et OH- sont très
réactifs
Dans l’eau pure la concentration des ions H+ et OH- est égale à [10-7 M] soit 0,0000001 gramme
d’ion H+ dans 1 litre de solution
pH (potentiel hydrogène) : pH = - log [H+]
Utilisation de l’Énergie par le vivant
Les organismes vivants peuvent être séparés en deux grands groupes selon la forme chimique sous
laquelle se trouve le carbone qu'ils puisent dans l'environnement.
Les autotrophes (bactéries photosynthétiques et plantes supérieures) utilise comme source unique
de carbone le dioxyde de carbone de l'atmosphère à partir duquel ils construisent l’ensemble de
leurs molécules organiques. La nutrition autotrophe caractérise le monde végétal qui synthétise les
molécules organiques à partir d‘atomes et molécules minérales, d’azote, d’eau et de dioxyde de
carbone (CO2). Dans notre biosphère, l’énergie nécessaire et indispensable à cette synthèse est
l’énergie lumineuse du soleil. La photosynthèse est le nom de cette réaction. La réaction reprise cidessous est la réaction globale. Pour arriver à synthétiser le glucose, plusieurs étapes intermédiaires
et une série d’enzymes sont mis en jeu l’équation finale étant: 6 CO2 + 6 H2O + énergie lumineuse
--> C6H12O6 + 6 O2 . Bref, la nutrition autotrophe des végétaux transforme les molécules minérales,
17
le C02 et l’eau en molécules organiques tout en produisant de l’oxygène.
Les hétérotrophes (micro-organismes et animaux supérieurs) sont incapables de synthétiser leurs
molécules organiques à partir de CO2, d’eau et de molécules minérales et doivent les trouver toutes
faites dans leur alimentation. Ils prélèvent le carbone sous forme de molécules organiques plus
complexes comme le glucose, lesquels ont été synthétisées par les autotrophes. Sur le plan
énergétique le métabolisme hétérotrophe des animaux catabolise des molécules organiques et en
récupère l’énergie. Les molécules organiques sont le plus souvent des molécules énergétiques qui
contiennent des liaisons carbone-hydrogène (C-H). Quelques exemples au premier rang duquel on
retrouve les hydrocarbures (molécules organiques fossilisées comme le charbon et le pétrole), les
glucides, les lipides, les protéines. Les molécules minérales sont de plus petites molécules
dépourvues de liaisons du type C-H. Exemple : H2O, CO2 , NaCl, …
Dans la biosphère, les êtres autotrophes et hétérotrophes vivent ensemble dans un cycle
interdépendant au cours duquel les autotrophes utilisent le CO2 atmosphérique pour construire leurs
biomolécules. Dès lors les organismes hétérotrophes utilisent les produits organiques des
autotrophes comme substrats et libèrent du CO2 dans l'atmosphère. Au cours de ce processus, les
autotrophes produisent de l'O2 à partir de l'eau et les hétérotrophes utilise cet O2 pour « brûler » les
biomolécules, récupérant au passage de l’énergie, et convertissant ces biomolécules en deux
« déchets sur le plan énergétique » l’ H2O et le CO2 . Les flux de matière et d’énergie sont rendus
possibles par un énorme flux d'énergie à travers la biosphère, flux qui commence par la capture
d'énergie solaire par les organismes biosynthétiques et l'utilisation de cette énergie pour créer des
molécules riches en énergie (hydrates de carbone). Ces substances, pourront alors utilisées comme
source d'énergie par les organismes hétérotrophes.
Maintien des conditions loin de l’équilibre.
Transformation de l’énergie pour fournir un travail.
Énergie et Systèmes Biologiques
Cellules vivantes sont des systèmes hautement ordonnés composés d’atomes et de molécules. Ces
systèmes sont loin de l'équilibre, le déséquilibre et à l'origine de la vie.
Énergie est nécessaire à la formation et le maintien de ces systèmes ordonnés
Dans les systèmes vivants l’énergie est utilisée, au travers de réactions chimiques couplées entreelles.
Travail Cellulaire...?
Travail de transport
Travail mécanique
Travail chimique : énergie interne d'une molécule emmagasinée dans les liaisons des diverses
substances chimiques.
Thermodynamique
Domaine de la physique qui traite de l'énergie et de ses transformations
Le système: Un l'objet d'étude (un être vivant, une cellule, un milieu réactionnel, etc…)
L’environnement: C'est le reste de l'univers (restriction: en pratique limité à l'environnement
immédiat)
18
La frontière entre système et environnement: Détermine quels échanges peuvent avoir lieu entre
système et environnement.
Système fermé : La frontière n'autorise pas d'échange de matière, mais bien d’énergie
Système ouvert : Des échanges de matière sont possibles entre le système et l’environnement. C'est
par exemple un être vivant (système) qui se nourrit en puisant dans son environnement.
Système isolé : Aucun échange ni de matière, ni d'énergie, n'a lieu entre le système et son
environnement.
Principes de la Thermodynamique
1ère loi (Loi de la Conservation de l’énergie) : il n’y a pas de création ou de destruction d’énergie :
il y a seulement des échanges ou des transformations d’énergie
2ème loi (Entropie: la mesure du désordre) : Tout échange ou transformation d’énergie augmente la
tendance vers le désordre
L'entropie est la tendance d'un système d'évoluer spontanément vers un état de plus basse énergie, le
désordre. Il y a une seule position donnée qui correspond à un arrangement ordonné alors qu'il y a
une infinité d'autres états dit désordonnés.
Écosystème
Organismes hétérotrophes : animaux
Les molécules organiques sont riches en énergie.
Énergie de la cellule – Métabolisme
Le métabolisme est l'ensemble de toutes les transformations chimiques qui se produisent dans une
cellule ou un organisme.
Catabolisme - Rupture des molécules complexes. Production d’énergie
Anabolisme - Édification de structures complexes. Consommation d’énergie
19
Enthalpie - Énergie Interne
Énergie Potentielle : C’est l’énergie emmagasinée par un corps et qui peut être transformé en
énergie cinétique quand le corps est mis en mouvement.
Énergie Cinétique : L’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. La chaleur et la
lumière sont des formes d'énergie cinétique due au mouvement des molécules et des photons.
L’enthalpie est l’énergie potentielle emmagasinée au sein des molécules au cours de leur
formation. C’est l’énergie interne des molécules. Elle comprend : l’énergie des électrons autour du
noyau, l’énergie de liaison des atomes entre eux, l’énergie du mouvement cinétique des molécules
et l'énergie de liaison des molécules entre elles.
Réactions (bio)chimiques
Exergonique (exothermique) : réaction qui fournit de l'énergie mais il faut en fournir pour activer
la réaction. Par exemple, les réactions Cataboliques (réaction de dégradation : des liens sont
rompus, une molécule est brisée en molécules plus petites). L'énergie est produite sous forme de
chaleur (Évolution vers le désordre - augmentation de l'entropie). La réaction est “spontanée”
(Énergie libre [- ∆ G] est négative) ce qui veut dire que les composés finaux ont PERDU de
l’énergie interne ∆H avec Hp < Hr et donc Hp-Hr < 0
Endergonique (endothermique) : Réactions Anaboliques (Édification – réaction de synthèse : des
molécules se combinent pour former des molécules plus grosses). De l’énergie est apportée au
système. La réaction “non spontanée” (Énergie libre [+ ∆ G] est positive) ce qui veut dire que les
composés finaux ont GAGNÉ de l’énergie interne ∆H. Les structures sont dissipatives (consomme
de l’énergie à partir de l’environnement).
Les réactions d'échange comportent à la fois une synthèse et une dégradation, c'est-à-dire qu'il y a
simultanément création et rupture de liaisons. Par exemple, le glucose et l'ATP forment le glucose
phosphate et l'ADP.
Les réactions athermiques sont des réactions qui n'entrainent pas de variation d'enthalpie.
Énergie Libre de Gibbs (G)
C'est l'énergie disponible pour produire un travail (T° et Pression Constante).
La variation de l'enthalpie libre du système vaut : ∆ G = ∆H – T ∆S
•
G = l'énergie libre (de Gibbs), portion de l'énergie potentielle disponible pour produire un
travail (K Joules)
•
H = l'enthalpie - énergie contenue dans les molécules
•
S = l'entropie (fonction d’état qui mesure l'augmentation du désordre thermique (J/°K))
•
T = 298 °K ou Kelvin = 20° Celsius
∆G mesure la quantité du désordre créé au cours d’une réaction
À l’ équilibre, ∆G = 0
Pour une réaction spontanée ∆G < 0
La plupart des réactions biologiques anaboliques sont ∆G > 0, aussi requièrent-elles de l’énergie
L'énergie est fournée par l’hydrolyse de l'ATP (Adénosine Triphosphate = molécule riche en
énergie)
20
Couplage des Réactions Chimiques
On a deux réactions, l'une endothermique et l'autre exothermique. Si on additionne les ∆G des deux
réactions et que celui-ci est négatif, les réactions peuvent avoir lieu.
Catalyse
Un catalyseur augmente la vitesse de la réaction
Diminution de l’énergie d’activation EA par facilitation d’états de transition d’énergie plus faibles
Enzyme
Un enzyme est une molécule (dans le cas de la cellule: protéines ou ARN) qui permet d'accélérer les
réactions chimiques du métabolisme.
Caractéristiques : Ils agissent à faible concentration, ils sont spécifiques, ils se retrouvent intacts en
fin de réaction, il y a différentes classes d’enzymes.
Barrière d’Énergie est l'énergie qu'il faut amener pour que la réaction ait lieu.
3. La membrane cellulaire – les protéines – les compartiments
cellulaires
Les hydrates de carbone – les glucides
Ce sont des molécules essentiellement énergétiques produites surtout par les plantes et qui ont
stocké l'énergie du soleil au cours de la photosynthèse sous forme de liaisons chimiques dans ces
molécules complexes
Ce sont des molécules ternaires qui contiennent trois atomes : C, H, O : Cn (H20)m
Structure :
OH : groupe alcool, il se trouve soit au-dessus soit en-dessous du plan.
Le 6° carbone n'est pas dans le même plan.
Anomère alpha ou bêta : en fonction de la place qu'occupe le groupe OH sur le carbone 1.
21
Isomère : deux formes miroirs de la molécule --> D Glucose (sur le 5° carbone, le OH est sur la
droite) ou L Glucose. Lorsque l'on synthétise ces molécules, on a 50% de chaque, c'est différent
dans l'être vivant --> composés ayant la même formule chimique mais présentant une structure
spatiale différente responsable de la déviation de la lumière polarisée.
Chiralité : se dit d'un objet, en particulier d'une entité moléculaire, NON superposable à son image
dans un miroir, comme par exemple la main droite et la main gauche. Cela donne des propriétés
différentes par rapport à la polarisation de la lumière, le faisceau est dévié sur la droite ou sur la
gauche en fonction de l'isomère. La présentation spatiale est donc très importante. Application :
verre Polaroïd.
3 sortes de glucides:
Monosaccharides (sucres simples) : Glucose (C6H12O6), Fructose (C6H12O6), Galactose (C6H12O6)
Disaccharides (sucres doubles). Exemple : le maltose : 2 molécules de Glucose --> formation du
maltose et d'une molécule d'eau. Le glucose peut aussi se lier avec le fructose, ce qui donne le
saccharose et une molécule d'eau.
Polysaccharides
Le pouvoir « Sucrant » des Glucides
Saccharose : 100
Fructose : ~ 150
Glucose : ~ 75
Maltose : ~ 40
Galactose : ~ 35
Lactose : ~ 20
Édulcorant : le sucralose (contient un atome de Chlore) un pouvoir « sucrant » 600 fois > à celui du
saccharose
Polysaccharides - Fonctions
Structure
•
Ce sont les constituants des molécules fondamentales : Ac Nucléiques, Co-enzymes
•
Cellulose : C'est le constituant principal de la parois des cellules végétales
•
Chitine : Exo-squelette des insectes
Substrats énergétiques et de réserve
•
“Amidon” (polymère de glucose) chez les plantes
•
“Glycogène” chez les animaux (Foie)
•
--> Réaction d'hydrolyse : la molécule se divise en deux en assimilant une molécule d'eau.
∆G < 0 donc c'est une réaction spontanée mais très très lente.
•
--> Réaction de condensation : deux molécules s'assemblent en libérant une molécule d'eau.
∆G > 0
Signalisation :
“Signature” : les sucres s'attachent sur la membrane à certains lipides, ils
22
reconnaissent les tissus --> signature HNA (gène)
Différence entre la cellulose (β-Glucose) et l'amidon (α-Glucose) : la position du CH2OH, même
atomes mais assemblé différemment.
Glucides membranaires
Liés aux Lipides et aux Protéines
Exposés à l'extérieur de la cellule ou sur le
feuillet opposé au cytosol
Glycolipides membranaires - Groupes Sanguins
Groupe sanguin ABO : O : Donneur Universel et AB : Receveur Universel, il contient l'anti-gène A
et l'anti-gène B.
A --> présence d'un anti-gène A au bout de la molécule. Cet anti-gène reconnait un certain type
d'anti-corps.
Récepteurs de la toxine du choléra et du virus de la grippe ????
L'Azote - Les Acides Aminés - Les Protéines
Les protéines sont des assemblages, enchainement d'acides aminés. Ce sont des molécules
quaternaires formées des atomes : C, H, O, N, (S)
Il y a 20 Acides Aminés Différents. Tous les acides aminés ont une même structure de base. Ils
contiennent…. un atome de Carbone “alpha”, une fonction Amine ( Azote [ N H2] ), une fonction
Acide (COO- [ H+]) et une chaîne latérale différente suivants les AA différents : R (le radical). Il y a
8 acides aminés essentiels pour les humains
Ils se présentent sous deux formes : la forme lévogyre et la forme dextrogyre --> chiralité des acides
aminés --> différents isomères qui n'ont pas les mêmes propriétés (ex : Thalidomie – Softenon :
médicament donné aux femmes enceintes qui a donné des malformations aux bébés : une seule des
deux formes modifient l'ADN, il faut donc toujours faire des essais avec les deux isomères pour les
médicaments). Dans les météorites, on trouve les deux isomères.
Il existe trois sortes d'acides aminés. Le classement est fait en fonction des propriétés chimiques de
leurs chaînes latérales.
Acides aminés non polaire (hydrophobe) : Alanine, Phénylalanine, Glycine, Isoleucine, Leucine,
Méthionine, Proline, Valine, Tryptophane
Acides aminés polaire : Cystéine, Asparagine, Glutamine, Sérine, Thréonine, Tyrosine
Acides aminés chargés négativement ou positivement : Aspartate, Glutamate, Histidine, Lysine,
Arginine
23
Liens covalents peptidiques :
Un lien covalent entre deux acides aminés forme un dipeptide.
Structure des protéines
Les radicaux voisins des différents acides aminés vont pouvoir spatialement réagir les uns avec les
autres en développant des interactions de charges pour les radicaux qui ont une forme particulière,
créer des effets d'encombrement stérique conduisant la protéine à se tordre selon des angles précis.
Ces liaisons sont soit de type pont hydrogène ou pont disulfure (liaison covalente entre deux atomes
de soufre). Les liens hydrogène dans les protéines se font de la même façon que dans les molécules
d'eau entre un atome d'oxygène et un atome d'hydrogène qui ne sont pas lié par un autre lien.
Structure primaire : C'est une séquence linéaire d'acides aminés commençant par la partie N
terminale (avec l'atome d'azote) et se terminant par la partie C terminale. La formation se fait au
cours de la traduction.
Structure secondaire : C'est une disposition spatiale de la chaîne d'acides aminés. Il y a deux
structures : Hélice α (en forme d'hélice) et Feuillet plissé β (en forme de feuille pliée en accordéon).
Il y a des liens H entre la fonction COOH (Carboxyl) et la fonction NH2 (amine) le long du
polypeptide. Ces structures sont hydrophobes, elles sont fréquemment rencontrée dans des protéines
créant des pores au travers des membranes ou dans certains récepteurs membranaires intégrés à la
membrane cellulaire.
Structure tertiaire: Il y a des liens covalents, par exemple des pont disulfure. Les radicaux qui
contiennent du sulfure interagissent. La protéine assemblée se replie pour former une structure
tridimensionnelle déterminée par sa structure primaire en AAs
Structure quaternaire: C'est une association entre polypeptides, s'enroulent les uns dans les autres
fibreux ou globulaire. Il existe des homodimères (les mêmes polymères s'assemblent) et des
hétérodimères (polymères différents). Ce sont par exemple des tétramères.
Dénaturation Protéine:
Agent dénaturant : chauffer (par exemple le blanc d'œuf), changement de milieu (milieu salin)
Résultat : Les différents types de lien se défont.
24
Protéines - 101 Usages et plus...
Protéines de Structure : les protéines peuvent former des fibres ou des tubes qui peuvent
s'assembler pour former des structures solides. Par exemple : collagène
Protéines de stockage
Protéines de Transport : les ions passent d'une protéine à l'autre pour traverser la membrane car ils
ne peuvent traverser aisément la bicouche lipidique.
Les Hormones
Les Récepteurs membranaires : par exemple récepteur TR1 : récepteur au goût
Protéines Contractiles
Protéines de Défense
Protéines Enzymatiques. Exemple : catalase présente dans le sang, synthèse ou digestion du
saccharose, sans enzyme, la réaction serait très lente voire impossible à température ambiante.
Les lipides – Acide gras – Graisse – Phospholipide - Cholestérol
Les lipides sont des molécules hydrophobes car elles n'ont pratiquement pas de liaison polaire. Les
lipides des plantes sont des huiles et ceux des animaux sont des graisses.
Les rôles sont une réserve d’énergie, l'isolation, la structure, la constitution des membranes de la
cellule où ils sont majoritaire.
Acides Gras - Huiles: Longue chaîne hydrocarbonée comprenant un tête hydrophile (Groupe
carboxyl - COOH) .
Saturés - pas de double liaisons ( “saturé en atomes H”)
Insaturés - Une ou plusieurs double liaison - “ liquides” (parfois double liaison entre deux atomes
de carbone)
Les Graisses: Groupe carboxyl (-COOH) de 3 acides gras se lient au 3 groupes alcool (-OH ) d’un
tri-alcool (glycérol) et forme les triglycérides (Estérification). Il y a des graisses saturées et
insaturées.
L'hydrogénation des Acides Gras
Les huiles naturelles insaturées sont toujours de type cis: atome d'hydrogène du même côté par
rapport au carbone autour de la double liaison.
Les huiles trans sont souvent solides à température de la pièce (comme les gras saturés). Elles sont
aussi dommageables pour la santé que les gras saturés.
Phospholipides
Groupement chimique contenant du P et du N
Tête hydrophile (groupement phosphate) et le reste hydrophobe. C'est une molécule amphiphile. Le
double feuillet membranaire est donc stable.
25
La Membrane cellulaire
Définition
La membrane cellulaire est une enveloppe d’environ 8 nm d’épaisseur limitant la cellule et la
séparant du milieu extérieur. Elle crée un confinement permettant l’élaboration et le maintien des
réactions chimiques et biochimiques propres à la vie. La membrane cellulaire joue un rôle important
dans les échanges (régulation du passage des nutriments mais aussi du gaz carbonique, de l'oxygène
et d'autres éléments permettant une activité cellulaire normale) et dans les mécanismes de
reconnaissance (identité) et de transmission de certaines informations (récepteurs membranaires)
Les composants
Les lipides: les phospholipides, le cholestérol (il modifie la fluidité de la membrane, on le retrouve
uniquement dans les membranes animales), les sphingolipides et les glycolipides.
Des protéines
Des glucides liés aux lipides et protéines. La double couche fluide de phospholipides dans laquelle
sont inclues des protéines.
Quelques propriétés de la membrane
C'est la limite physique de la cellule.
Elle permet le « Transport Passif » de substances (Osmose : équilibre du sel de part et d'autre –
Signalisation), le « Transport Actif » de substances (Pompes) qui consomme de l'énergie
Elle a un rôle d'absorption et de résorption (Endocytose et l'exocytose). L'endocytose est un
mécanisme de transport qui va permettre à des grosses molécules de pénétrer au sein de la cellule. Il
y a trois formes: la phagocytose, la pinocytose et l'endocytose par récepteur interposé.
C'est la carte d’identité de la cellule (HLA – Immunité)
C'est le récepteur de signaux communication entre cellules (Organisation sociale)
Les protéines interviennent dans la constitution des membranes, des mitochondries, des complexes
supramoléculaires comme les ribosomes. La perméabilité de la membrane cellulaire aux molécules
hydrophiles est assurée par des protéines qui y sont insérées. Il existe trois types de protéines
membranaires : les protéines intrinsèques, les protéines périphériques et les protéines ancrées dans
les lipides.
Exemple de membrane : le globule rouge - Structure Tridimensionnelle de l’Hb
L’hémoglobine contient 4 chaînes polypeptidiques : (2 alpha et 2 bêta).
Mutation du sixième acide aminé la glutamine de la chaîne bêta, remplacé par la valine
Modification de la conformation native de la chaîne bêta. L’hémoglobine a tendance alors à
précipiter ce qui déforme les globules en faucille. La capacité de transport de l’oxygène est réduite
et les globules déformés bouchent les petits vaisseaux.
Autre exemple de membrane.
Globule rouge : C’est une cellule biconcave (sans noyau!! – « elle l'a perdu » au cours de la
maturation de cette cellule) dont le centre apparaît clair et la périphérie foncée.
26
Adipocytes : ce sont les cellules graisseuses. Elles contiennent une membrane, un noyau aplati en
périphérie et une énorme "vacuole" de graisse. C’est le lieu de stockage des lipides. Elles
fournissent de l’énergie aux cellules, et particulièrement à l’état de jeûne où les lipides pourront être
mobilisés et servir de substrat métabolique à la mitochondrie qui va, à partir de ces lipides
synthétiser de l'ATP, molécules riche en liens énergétiques.
La membrane apicale des cellules épithéliales de l’intestin présente des microvillosités qui
augmentent la surface d’absorption. Cette membrane est protégée par un feutrage composé de
glycocalyx (motifs protéo-polysaccharidiques). Ces microvillosités sont de minuscules digitations
de la membrane se présentant sous la forme de petites saillies à la surface de la cellule. C'est une
organisation des filaments d'actine associée à une petite protéine appelée la fimbrine de 68.000
Daltons ou 68 kDa (une solution hypothétique d'un litre à la concentration 1 molaire pèserait 68
Kilos) qui est responsable de cet échafaudage particulier. Le rôle des microvillosités est d'accroître
la surface d'échange de la membrane plasmique. C'est pour cette raison qu'on les trouve
essentiellement sur les cellules épithéliales tapissant la paroi des intestins ou encore sur les cellules
composant les tubules rénaux (permettant la réabsorption de certains solutés au cours de la
formation de l’urine définitive).
Membrane de la cellule de Schwann de l’axone. Située près de l’axone, elle l'isole
électriquement. Elle permet l’accélération de l’influx nerveux. Les cellules de Schwann sont des
cellules du système nerveux périphérique. Au niveau du système nerveux central, se sont les
oligodendrocytes qui procèdent à la myélinisation des axones.
4. Énergétique cellulaire – La mitochondrie – La glycolyse - L'ATP
L'énergie dans le vivant est utilisée pour la transformation de l’énergie pour fournir un travail ainsi
que pour maintenir leurs structures.
Travail Cellulaire...?
Travail de transport : transport du soluté
Travail mécanique : protéine motrice --> mouvement (ex : kinésine) : Mouvement des organites
(servent de rails sur lesquels les organites associés à des protéines motrices peuvent se déplacer)
Travail chimique : réactifs --> produits: réaction chimique
27
Énergie et Systèmes Biologiques - Structures Dissipatives
Seuls les systèmes ouverts hors équilibre évoluent sans cesse. C’est le cas des êtres vivants et plus
généralement des structures dites dissipatives. L'équilibre = la mort, il faut donc se maintenir loin de
l'équilibre. Variation énergie libre ΔG = ΔH-TΔS
La plupart des réactions biologiques anaboliques d’édification moléculaire sont ΔG > 0, aussi
requièrent-elles de l’énergie (au travers de réactions chimiques couplées entre-elles).
L'énergie est fournie par l’hydrolyse de l’ATP (Adénosine Triphosphate = molécule riche en
énergie). La production d'ATP se fait à partir de l'énergie potentielle contenue dans les substrats
énergétiques de l'alimentation par les réactions de ce qu'on appelle la respiration cellulaire.
Écosystème
Photosynthèse et Respiration
Photosynthèse – chloroplastes 6 CO2 + 12 H2O --> C6H12O6 (sucre) + 6O2 +6 H2O. La réaction est
faite en présence d'énergie (le soleil) ΔG > 0
Respiration – mitochondries C6H12O6 (sucre) + 6O2 --> 6 CO2 + 6 H2O + énergie (ATP & Chaleur)
ΔG < 0
La respiration cellulaire est la dégradation progressive du glucose par des phénomènes d'oxydation
avec production d'énergie.
Glycolyse = dégradation de la molécule de glucose
Hydrolyse du glucose (hydrates de carbone) qui contiennent des liens riches en énergie. Ce sont des
réactions enzymatiques complexe sans élévation exagérée de la température. Le rendement de ces
réactions est de 50%.
28
Il y a 2 situations :
Anaérobie (Absence d ’oxygène: peu efficace en terme de rendement: formation de 2 molécules
d'ATP (dans le cytoplasme). La molécule de glucose est divisée en deux molécules d'acide
pyruvique qui contient 3 carbones.
Aérobie (Oxydation complète des hydrates de Carbones) : formation de 36 Molécules d’ATP (dans
la mitochondrie). Il s'agit de la dégradation de l'acide pyruvique.
Exemple de glycolyse : la fermentation (Anaérobie)
C'est la dégradation complète du glucose avec pour produit final l'eau et l'éthanol.
Pasteur (1822-1895) : fondation de la microbiologie et catabolisme anaérobie (absence d ’oxygène)
et aérobie des sucres par certains champignons Alcool (Bière - Vins …), Acide Lactique - Yaourt
Eucaryotes – Levures
Les cellules eucaryotes concernées sont les levures qui sont mises en présence d'une solution
contenant des sucres mais en l'absence d'oxygène. Ces eucaryotes sont des champignons inférieures
(Noyau (ADN -16 chromosomes) – Cytosquelette). Ils sont unicellulaires et permettent la
fermentation alcoolique.
Glycolyse Anaérobie
Voie de catabolisme du Glucose décrite par Emben & Meyerhof
29
Les mitochondries
Au moment de l'émergence des premières cellules eucaryote (il y a 1.5 milliard d'années), on
suppose que certaines bactéries aérobies pourraient s'être associées aux cellules eucaryotes
primitives avec pour résultante une entente symbiotique entre les deux partenaires.
La mitochondrie est un organite contenant les enzymes de la « respiration oxydative »
La mitochondrie extrait l'énergie chimique contenue dans les liens chimiques des molécules
La cellule eucaryote est à la base des organismes multicellulaires avec pour conséquence : le
vieillissement programmé : (apoptose - Mort cellulaire programmée), environ 70 divisions, Clone
(Dolly) et le rôle des mitochondries
La mitochondrie, usine énergétique de la cellule (cycle de Krebs), parait jouer un rôle fondamental
dans le vieillissement.
L'ADN mt est très sensible aux attaques des radicaux libres de l'oxygène puisqu'il n'est pas
complexé avec des histones
La mitochondrie est un organite ovale spécifique des eucaryotes aérobie qui utilise l'oxygène au
cours de la respiration cellulaire. Elle est délimitée par une membrane externe qui est lisse et une
membrane interne qui forme des crêtes et des cloisons. Les deux membranes sont séparées par un
espace, la matrice. Cette matrice contient la machinerie de synthèse des protéines et une série série
d'enzyme. Elle contient aussi des ribosomes.
Au cours de la fécondation, c'est l'ovocyte qui apporte les mitochondries au futur œuf fécondé et à
l'embryon qui en découlera.
Le bilan énergétique pour la cellule pourvue de mitochondries est de loin supérieur à celui pour les
cellules qui n'en possèdent pas.
Ce sont des bâtonnets dont la taille varie entre 1 et 10 µm de diamètre. La quantité varie de 500 à
2000 mitochondries par cellule, elles sont distribuées de façon spécifique dans la cellule en relation
avec la fonction. Elle contient 10 copies de son propre ADN (ADN mt : ADN mitochondrial) qui
lui permet une duplication autonome (durée de vie moyenne de 10 jours).
Elle est « Tributaire » de la cellule pour une partie de ses protéines constitutives.
La respiration cellulaire
Dans la mitochondrie, se poursuit la dégradation du « Pyruvate ».
Elle transforme l’énergie à partir des molécules organiques sous une forme riche en énergie (ATP)
Pyruvate + O2 ---> CO2 + H2O + Énergie (36 molécules d’ATP).
La production d’ATP à lieu au niveau de la membrane interne. Celle-ci est plissée ce qui augmente
sa surface.
La membrane interne est plissée augmentant par là-même sa surface et permettant le stockage d’un
maximum d’enzymes spécifiques mitochondriaux (les oxysomes). Les oxysomes sont des petites
unités d’oxydation du glucose. La membrane interne possède deux faces: une interne tournée vers la
matrice et une externe, tournée vers la chambre externe. Son organisation diffère totalement de celle
de la membrane externe. Elle contient 80% de protéines et 20% de lipides. Elle est peu perméable
aux ions; il faut donc des transporteurs spéciaux pour apporter ces substances dans la matrice. La
membrane interne s’invagine et pénètre profondément dans la matrice mitochondriale et dessine des
structures qui portent le nom de crêtes. Le nombre de crêtes est proportionnel à l’activité de la
cellule. Leur forme varie selon les fonctions et l’activité de la cellule (sacculaires, lamellaires,
30
tubulaires…). Grâce aux crêtes, la surface de la membrane interne est multipliée par 5.
La membrane externe est une bicouche lipidique extrêmement perméable. Elle contient 60% de
protéine et 40% de lipide. Elle est constituée de porines (pores membranaires) pour le transport de
molécule.
Respiration Cellulaire Aérobie
Le système est plus complexe et énergétiquement plus efficace (plus d'ATP par oxydation complète
des nutriments) --> Phosphorylation (ajout d'un groupement phosphate) Oxydative: C + O2 --> CO2
+ Énergie : combustion contrôlée qui produit de l’ATP. (transformation de l'ADP en ATP)
31
Intermédiaire Énergétique : l’ATP
L'ATP est le carburant cellulaire. La dégradation du glucose, qui est une réaction exergonique
produit de l'ATP.
Lors de la synthèse des protéines, qui est une réaction endergonique, l'énergie de l'ATP est utilisée
et celui-ci est transformé en ADP qui contient un groupe phosphate en moins. La phosphorylation
des molécules par l'ATP est à la base de la plupart du travail cellulaire.
ATP (adénosine triphosphate) + eau --> ADP (adénosine diphosphate) + phosphate inorganique +
énergie --> batterie moléculaire rechargeable.
L'ATP est un nucléotide.
Structure Nucléotides
Ils sont composé d'un sucre (ribose), d'une base azotée (adénine) qui est sur le carbone 1' du sucre
(on compte à partir de l'atome d'oxygène) et de 3 groupements phosphates sur le carbone 5' du sucre
(celui qui se trouve dans un autre plan, le 4' étant lié à l'atome d'oxygène).
La queue triphosphate de l'ATP est instable et les liaisons entre les groupements phosphates, riches
en énergie, peuvent être hydrolysées.
32
Le Cycle de Krebs est une série de réactions biochimiques dont la finalité est de produire des
intermédiaires énergétiques qui serviront à la production d'ATP dans la chaîne respiratoire. Il s'agit
d'un cycle car le dernier métabolite, l'acide oxaloacétique, est aussi impliqué dans la première
réaction. Le cycle peut se résumer dans l'oxydation de 2 carbones en CO2; l'énergie dégagée par ces
réactions génère du GTP (ou de l'ATP), des électrons, du NADH, H+ et du QH2, qui pourront être
métabolisés par la chaine respiratoire pour former de l'ATP.
Il est le point final et commun du catabolisme des glucides, lipide et acides aminés car tous ces
catabolismes aboutissent à la formation d'acétyl-coenzyme A. L'acétyl-coenzyme A est une forme
de transport des groupements acétyls qui proviennent du pyruvate.
Transporteur d’électrons (NAD)
Au cours de ce cycle sont synthétisée des molécules appelée cofacteurs réduits (NADH) qui
transportent des électrons à haute énergie. La réaction de transfert de l’électron peut-être résumé
comme suit: NAD+ + 2e- + H+ <--> NADH.
Au niveau de la membrane interne, une série d'enzymes utilisera cette énergie pour concentrer les
ions H+ dans l'espace inter-membrane. La dissipation de ce gradient d'ion H+ au travers d'une
molécule appelée F1/F0 ATP-ase va transformer la molécule d'ADP en ATP.
La chimiosmose est la transformation du courant d'électrons en gradient de protons.
H2 + ½ O2 --> libération d'énergie thermique --> H2O
2 H (provenant des aliments) : 2 H+ + 2 e- (chaîne de transport d'électron, comme une chute d'eau)
+ ½ O2 --> énergie pour la synthèse d'ATP --> H2O
Conservation de l'énergie
Mécanisme de conservation de l'énergie au niveau de la membrane mitochondriale:
33
NADH + H+ + H2O (beaucoup d'énergie) --> NAD+ + H2O (peu d'énergie)
Phosphorylation oxydative: ADP + P (peu d'énergie) --> ATP + H2O (beaucoup d'énergie)
Chaîne Respiratoire – transformation de la cascade d'électrons en gradient H+
34