Hypothèse de l'ARN et origine de la vie

Biologie Cellulaire - UE5

• Le cours est en ligne sur la plateforme Moodle de l'Unistra.
• L'adresse courriel du professeur est [email protected].
• Les images sont issues de microscopie confocale.
• Le lien vers les images de microscopie est http://www.olympusmicro.com.

Plan du Cours

• 1ère partie : Introduction à la biologie cellulaire, les origines de la vie, l'hypothèse ARN, eucaryote/procaryote, théorie cellulaire, compartimentation.
• 2nde partie : Réticulum lisse et granuleux, N-glycosylation, contrôle qualité.
• 3ème partie : Appareil de Golgi, N-glycosylation pour le tri des protéines, trafic endomembranaire (généralités).
• 4ème partie : Lysosome/peroxysome, mécanismes d'endocytose/exocytose, mécanisme du transport vésiculaire.

1ère Partie : Aux Origines de la Vie

• Preuves fossiles : Développement des organismes à travers le temps géologique avec plusieurs phases d'évolution (Hadéen, Archéen, Protérozoïque, etc).
• Expérience de Miller-Urey : Expérience scientifique simulant des conditions terrestres primitives et démontrant la formation de molécules organiques (acides aminés).
• L'hypothèse de l'ARN : L'ARN pourrait être à l'origine de la vie, avant l'ADN, car capable d'agir comme support d'information et comme enzyme (ribozyme).
• Procaryote/Eucaryote : Comparaison des cellules procaryotes (sans noyau) et eucaryotes (avec noyau).
• Organisation du vivant : Représentation graphique du temps géologique avec différents événements (Big Bang, conquête des continents, des airs, etc.), et évolution des organismes.

Qu'est-ce que le vivant ?

• Il n'y a pas de définition unique et précise du "vivant".
• Métabolisme : Le stockage d'énergie (ATP) est une caractéristique essentielle.
• Stockage d'information : Duplication et transmission de l'information génétique sont des aspects essentiels.
• Isolation : L'isolement du milieu extérieur est un critère, qui est la base de la compartimentation.
• Chimie du carbone : Le carbone est la base chimique principale des molécules biologiques.

Des Origines de la Vie

• Vers 4 milliards d'années (mya) : Apparition des premiers fossiles bactériens (stromatolithes).
• Vers 2 milliards d'années (mya) : Apparition des premiers fossiles pluricellulaires.

Assemblage du vivant

• Expérience de Miller-Urey (1953) : Simulation des conditions primitives de la Terre pour créer des molécules organiques.
• Les briques nécessaires à la vie ont été créés
• Comparaison entre l'atmosphère primitive et celle de l'expérience.
• Propositions de questions: Comment former une cellule primitive avec métabolisme (protéines) et ADN ? Comment former de l'ADN sans protéines ? Comment former des protéines sans ADN ? L'hypothèse de l'ARN!

L'ARN en premier ?

• Monde prébiotique : Phases avant l'apparition des cellules
• Monde à ARN : ARN comme stockage d'information génétique, rôle dans les synthèses.
• Monde à ADN/Protéines : ADN comme stockage d'information génétique, fonctionnement et métabolisme complexifié.
• Rôle des acides nucléiques, réplication d'acides nucléiques, synthèses de nouvelles nucléotides.

Ribozyme

• L'ARN peut avoir des fonctions enzymatiques - ribozymes.
• Les ribozymes peuvent modifier des molécules tout en étant porteuses d'informations génétiques.

Passer d'ARN à ADN ?

• Mécanisme de transcription inverse.
• Existe-t-il des transcriptase inverse chez les eucaryotes ?

ARN vers ADN ?

• Activité transcriptase inverse (reverse transcriptase ou RT) : présente chez les eucaryotes.
• Exemple de Télomérase (copie des télomères).
• Rétrotranspons (46% du génome) et séquence LINE (environ 17%).
• Fonction de la protéine LINE-1.
• Possibilité de mécanismes de stabilisation de l'information génétique sous forme d'ADN à un stade évolutif plus archaïque.

Ribozyme first

• Les ARNt ont des fonctions enzymatiques, structurelles et régulatrices (interférence, etc).
• Mécanisme d'interférence ARN chez les eucaryotes et rôle dans la défense anti-infectieuse.
• Les protéines ribosomales sont potentiellement influencées par leur propre ARN et peuvent avoir des propriétés fonctionnelles similaires aux ARNs.
• Les ribosomes fonctionnent sans leur partie protéique.

Et la traduction ?

• Il manque encore une compréhension complète des mécanismes évolutifs conduisant à la traduction, impliquant le système des codons.
• Diversités de codons et de codes génétiques (procaryotes, eucaryotes et mitochondries).
• Répétitions de codons dans le code génétique.
• Notion d'évolution des gènes au cours du temps.

Et la traduction ?

• Hypothèses stéréochimiques : certaines acides aminés ont une affinité plus forte avec certains nucléotides (ex: arginine et zones riches en GC).
• Apparition des tARN comme adaptateurs entre acides aminés et nucléotides.
• Conservation de la structure des tARNs dans tout le règne du vivant.
• Activité aminoacylantes des certains ARNs pour la formation des liaisons entre les acides aminés et l'ARN.

Métabolisme primitif ?

• Nécessité d'un métabolisme pour synthétiser les nucléotides et stocker l'énergie (ATP).
• Un métabolisme est susceptible de créer des peptides favorisant le fonctionnement des ARNs.
• Coexistence de réactions chimiques et des protéines régulant les ARNs à activité enzymatique.
• Naissance d'une protocellule avec métabolisme biologique.

Métabolisme primitif

• Production et stockage de l'énergie (ATP).
• Production d'énergie à partir de molécules diverses, en fonction de la capacité d'accepteurs et donneurs d'electrons (électroniques).
• Photosynthèse comme source d'énergie à partir de la lumière (cycle de Calvin).
• ATP synthase est le point commun de tous ces systèmes.

La photosynthèse :

• Apparition précoce chez les bactéries photosynthétiques (chlorobactéries et autres bactéries pourpres).
• Forme anoxygénique avant la forme oxygénique.
• Photosynthèse liées à une enzyme spécifique, la RubisCO.

La photosynthèse (végétaux)

• Chez les végétaux organisation pluricellulaire.
• Chloroplaste : structure particulière.
• Organisation et fonctionnement du chloroplaste.

Théorie cellulaire

• Existe-t-il une théorie du vivant ?
• Cellule comme unité structurale, fonctionnelle et reproductive du vivant.

Théorie cellulaire

• Tous les êtres vivants sont constitués d'une ou plusieurs cellules.
• Chaque cellule provient d'une autre cellule préexistante.
• Caractéristiques de la cellule comme entité vivante et unité de base.
• Individualité cellulaire via la membrane plasmique.
• Rôle de l'ADN dans le fonctionnement et la reproduction cellulaire.

L'arbre phylogénétique du vivant

• Ancêtre commun (LUCA).
• Théorie majeure de la biologie : l'évolution.

Organisation du vivant

• Pas de séparation stricte entre procaryotes et eucaryotes ; des intermédiaires existent.
• Organisation du vivant très diverse : unicellulaire et pluricellulaire.

La proportion des différentes espèces

• Proportion des différents types d'organismes vivants
• Importance des bactéries, champignons, végétaux et animaux.
• Diversité et complémentarité des organismes.

Premiers êtres vivants ?

• Les Archées représentent une branche à part des bactéries.
• Mécanismes de transcription et de traduction comparables à ceux des eucaryotes.
• Composition membranaire singulière.
• Rôle dans le cycle de l'azote.
• Une souche d'archéobactéries (Loki) avec des gènes proches des eucaryotes.
• Renforcement de l'hypothèse de l'évolution procaryote vers eucaryote.

Des gènes communs avec les eucaryotes

• Présence de gènes impliqués dans la dégradation des protéines, la circulation des vésicules, et les complexes ESCRT.

Théorie endo-symbiotique

• L'apparition des chloroplastes et des mitochondries dans les cellules eucaryotes par incorporation de bactéries par endocytose.
• Théorie autogénique : le système endomembranaire et le cytosquelette dans les cellules eucaryotes.
• Origine des organites.

Eucaryote vs procaryote

• Points communs : ADN, ribosomes, membrane cytoplasmique et cytoplasme, division cellulaire, échanges avec le milieu extérieur.
• Caractéristiques spécifiques : nucléaire/non-nucléaire, organites et organisation.

Et les virus ?

• Non-métaboliques, ne possèdent pas d'organites et d'organelles.
• Ils exploitent l'appareil cellulaire pour répliquer leur information génétique (ADN/ARN) et produire leurs composantes virales.
• Classification : virus à ADN ou ARN.
• Implication dans l'évolution (échange de gènes avec les cellules primitives).

Un exemple de variabilité de l'organisation du vivant

• Organisme uni ou pluricellulaire : procaryote vs eucaryote.
• Exemples nombreux d'exceptions.

Organisation de la cellule procaryote

• Absence de noyau et d'organites.
• Structure de la membrane.
• Généralités de cette organisation cellulaire.
• Classification des bactéries selon la méthode de coloration de Gram.

Uni/pluricellulaire procaryote

• Essentiellement unicellulaire, mais avec des exceptions comme les bactéries pluricellulaires.
• Exemple des bactéries magnétotactiques.

Uni/pluricellulaire eucaryote

• Eucaryotes unicellulaires et pluricellulaires.
• Exemple avec Volvox et Paramecium.

Eucaryote vs procaryote (avec image)

• Différences de structure entre les cellules eucaryotes et procaryotes.
• Image schématique avec les organites, ribosomes et ADN.

Organisation de la cellule eucaryote (avec image)

• Organisation détaillée des compartiments cellulaires et structures dans l'image schématique.

Ce quiz aborde des concepts fondamentaux liés à l'hypothèse de l'ARN et les caractéristiques des ribozymes, en explorant les différences entre l'ARN et l'ADN ainsi que les distinctions entre procaryotes et eucaryotes. Il met également en lumière l'importance de certaines molécules dans le stockage d'énergie et les arguments contre certaines théories sur l'origine de la vie.