LBIR1150 Biologie Cellulaire - Synthèse du Cours - Page 3 PDF

LBIR1150 10.1.2 Origine Les plastes possèdent une autonomie génétique partielle (cfr. Mitochondries 8.1.2) et auraient probablement pour origine, de la même manière que les mitochondries, un ancêtre procaryotique photosynthétique qui aurait été endocyté par une cellule hôte avec laquelle il aurait...

LBIR1150 10.1.2 Origine Les plastes possèdent une autonomie génétique partielle (cfr. Mitochondries 8.1.2) et auraient probablement pour origine, de la même manière que les mitochondries, un ancêtre procaryotique photosynthétique qui aurait été endocyté par une cellule hôte avec laquelle il aurait fondé une relation symbiotique25, perdant ensuite son autonomie. → autonomie génétique partielle (doivent importer certaines de leurs protéines qui sont synthétisée par des ribosomes libres dans le cytosol) 10.1.3 Les chloroplastes Organite (présent chez toutes les cellules végétales) Même forme et taille que les chromoplastes (une dizaine de µm de longueur) Se situent dans le mésophylle Système à 3 membranes Séparés par un  Membrane externe espace inter-  Membrane interne membranaire  Membrane (interne) thylakoïde : réseau membraneux constitué de sacs aplatis nommés thylakoïdes qui baignent dans le stroma (liquide intra-chloroplastique). Un empilement de thylakoïdes se nomme granum (au pluriel : des grana). 25 Relation symbiotique car le chloroplaste fournit à la cellule végétale les glucides qui résultent de la photosynthèse et la cellule végétale fournit au chloroplastes les protéines manquantes à son bon fonctionnement. Page 91 of 148 2021-2022 LBIR1150 Les thylakoïdes sont composés d'un lumen (espace intra-thylakoïde) entouré d'une membrane qui contient de la chlorophylle responsable de la couleur verte des plantes Grains d’amidon : l’amidon formé pendant la journée est stocké provisoirement dans le stroma sous forme de grains d’amidon. Il sera ensuite dépolymérisé pendant la nuit et les glucides formés seront expédiés dans les autres organes de la plane sous forme de saccharose. Siège de la photosynthèse. Outre la photosynthèse, les chloroplastes réalisent d’autres biosynthèses. Le NADPH et l’ATP produits durant la phase claire permettent en particulier au chloroplaste de réduire le nitrite en ammoniac. Chez certaines plantes, celui-ci sera utilisé pour la synthèse d’acides aminés et de nucléotides. (1) membrane externe (7) granum (empilement de thylakoïdes (2) espace intermembranaire granaires) (3) membrane interne (8) thylakoïde (4) stroma (9) grain d’amidon (5) lumen du thylakoïde (10) ribosome (6) membrane du thylakoïde (11) ADN chloroplastique (12) plastoglobule (gouttelette lipidique) REM : distinction entre les thylakoïdes granaires qui forment des empilements, les grana, et les thylakoïdes intergranaires. 10.2 La photosynthèse 10.2.1 Principe = Ensemble de réactions chimiques dans certaines cellules qui utilise de l’énergie lumineuse pour former des glucides à partir d’eau et de gaz carbonique, et rejette de l’oxygène comme déchet. Elle se déroule dans les chloroplastes grâce à la chlorophylle Suite de réaction faisant partie de l’anabolisme -> nécessite donc de l’énergie : ATP et du pouvoir réducteur : NADPH. Importante pour la biosphère car est le seul mécanisme appréciable permettant de passer de la matière minérale à la matière organique. Les hétérotrophes dépendent donc totalement de la photosynthèse pour leur alimentation. 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O Page 92 of 148 2021-2022 LBIR1150 ATP et NADPH ne sont pas indiqués dans l’équation globale car ils sont produits puis utilisés (ils servent d’intermédiaires) et donc le bilan net ne change pas. 10.2.2 L’énergie de la lumière Avant de parler de la photosynthèse, il faut s’intéresser à ce que représente la lumière du soleil. La lumière est l’interprétation de notre cerveau d’un faisceau de photons, des particules unitaires de nature électromagnétique. Si l’énergie que transporte un photon est grande, sa longueur d’onde est courte. Les photons les plus énergétiques, de longueur d’onde inférieur à 300 nm, correspondent aux ultra-violets. Lors de l’impact avec la matière vivante, ils provoquent des perturbations brutales et sont néfastes. Inversement les photons dont la longueur d’onde est supérieure à 1 000 nm, aussi appelés infra-rouges, ne sont pas assez énergétique pour exciter une quelconque structure organique. Leur énergie finit généralement par se dissiper en chaleur. La plupart des photons qui atteignent la terre ont une longueur d’onde comprise entre 300 nm et 1 000 nm. C’est le spectre lumineux. Ils ne sont donc pas assez énergétiques pour détruire les molécules mais suffisamment pour les exciter. La transformation de l’énergie lumineuse en énergie chimique est le résultat de la photochimie de la photosynthèse. Lorsqu’un photon de longueur d’onde appropriée entre en collision avec une molécule, son énergie est absorbée par un des électrons de la molécule. L’électron passe alors sur une orbitale supérieure et la molécule est dite « excitée ». La plupart des états excités ont une durée de vie très courte. L’électron reprend donc rapidement sa position initiale tandis que l’énergie momentanément absorbée est soit réémise sous forme de lumière (photon), soit sous forme de chaleur ou soit transférée à une autre molécule par résonnance. Cependant, dans certains cas, l’électron excité sera éjecté de la molécule (qui est alors oxydée) et est repris par une autre molécule (qui est alors réduite). 10.2.3 La chlorophylle = principal des pigments impliqué dans la photosynthèse Elle absorbe la lumière rouge et bleue et rejette de la lumière verte, d’où la couleur des chloroplastes et donc des végétaux. C’est une molécule amphipathique  Tête hydrophile qui est un cycle complexe comportant plusieurs atomes d’azote et un atome de magnésium  Queue hydrophobe → permet l’insertion de la chlorophylle dans la membrane thylacoïde. Page 93 of 148 2021-2022 LBIR1150 D’autre pigments, comme les caroténoïdes, interviennent aussi dans la photosynthèse. Ils permettent d’étendre la gamme de longueur d’ondes utilisables pour ce processus. La chlorophylle t les autres pigments se trouvent dans les membranes thylacoïdes où ils sont séparés en 2 ensembles plurimoléculaires : le photosystème I (PS I) et le photosystème II (PS II). NB : la couleur bleue et la couleur rouge sont les plus efficaces en termes d’absorption de l’énergie, d’où la couleur violette des serres agro ! 10.2.4 Les photosystèmes Localisés dans les membranes thylacoïdes et distribués en deux types d'ensembles plurimoléculaires, le photosystème I (PS I) et le photosystème II (PS II). Chaque photosystème comprend : Un complexe collecteur (antenne de capture de l'énergie lumineuse) Un centre réactionnel où sont associées enzymes de transport des électrons et chlorophylle. 10.2.5 Les phases de la photosynthèse La photosynthèse se déroule en deux phases : claire (dépendant de la lumière) et sombre (indépendante de la lumière). Les 2 phases ont lieu durant le jour. Voir https://fr.wikipedia.org/wiki/Thylako%C3%AFde 10.2.5.1 La phase claire Conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique & obtention d’électrons à partir d’eau Fournit l’énergie (ATP) et le pouvoir réducteur (NADPH) Se déroule dans la membrane thylakoïde Acidification de l’espace thylakoïdien → dépendante de la lumière Page 94 of 148 2021-2022 LBIR1150 Déscription en 3 étapes : 10.2.5.1.1 Oxydation de l’eau se déroule au photosystème II Dans un premier temps, une molécule de chlorophylle de l'antenne du PS II va être excitée par un photon et l'énergie acquise va être transférée par résonance à d'autres molécules de chlorophylle de l'antenne, en direction du centre réactionnel. Là, l'électron très énergétique va être transféré de la chlorophylle, qui est ainsi oxydée et devient chargée positivement, à un accepteur d'électrons, qui est une protéine du centre réactionnel. La chlorophylle oxydée va à son tour être réduite, càd recevoir un électron de basse énergie d'un donneur d'électrons, qui est une autre protéine du centre réactionnel. Ce donneur d'électrons, maintenant oxydé, va être réduit par un électron venant cette fois-ci de l'eau. L’eau sera donc oxydée avec formation de protons et d'oxygène moléculaire qui se dégagera. 10.2.5.1.2 Les électrons sont transportés vers le photosystème I grâce à une chaîne de transporteurs Dans un deuxième temps, les électrons reçus par l’accepteur du PS II vont être conduit au PS I par une chaîne de transporteurs d'électrons, qui sont des complexes de protéines membranaires. Ce transport s'accompagne du passage de protons du stroma du chloroplaste vers la lumière26 du thylakoïde. Il se crée donc un gradient électrochimique de protons de part et d'autre de la membrane thylakoïde. Le gradient de protons servira à produire de l’ATP par chimiosmose27. La membrane de thylakoïde est particulièrement imperméable aux protons. Le PS I fonctionne d'une façon analogue au PS II : oxydation d'une molécule de chlorophylle par un nouveau photon, transfert de l'électron énergétique à un accepteur, récupération par la chlorophylle d'un électron de base énergie venant d'un donneur, mais l'électron qui sera fourni au donneur ne viens pas de l'eau, mais du PS II. Les électrons énergétiques des accepteurs du PS I serviront soit à synthétiser du NADPH à partir de NADP+ dans le stroma (flux linéaire d'électrons), soit seront réinjecter dans la chaîne des transporteurs d'électrons, diminuant la synthèse de NADPH mais permettant d'amplifier le gradient électrochimique de protons (flux cyclique d'électrons). Que se passerait-il si dans la membrane thylakoïde j’avais un canal à proton ? On détruirait la force protomotrice permettant la synthèse d’ATP. Y aurait-il un impact sur la formation des NADPH ? Non, puisque la formation de NADPH va uniquement dépendre de l’oxydation des photosystèmes qui ne sont pas impacté par la formation du gradient de protons. 26 La lumière : en anatomie, la lumière d'un organe creux désigne l'espace intérieur circonscrit par ses parois. 27 La chimiosmose est le couplage de la phosphorylation de l'ADP en ATP par l'ATP synthase en utilisant l'énergie libérée par la dissipation d'un gradient de concentration de cations (généralement de protons H+) à travers une membrane. Page 95 of 148 2021-2022 LBIR1150 10.2.5.1.3 L’énergie du gradient électrochimique est convertie en ATP par la photophosphorylation Dans un troisième temps, par un mécanisme analogue à la phosphorylation oxydative qui se déroule dans la respiration, le passage des protons de la lumière du thylakoïde vers le stroma du chloroplaste, le long de leur gradient électrochimique, à travers les ATP synthases de la membrane thylakoïde, va être couplé à la phosphorylation d’ADP par Pi et permettre la synthèse d'ATP. Cette phosphorylation, dépendant de la lumière, elle appelée photophosphorylation. REM : la phosphorylation oxydative est le processus qui produit l'ATP en utilisant des enzymes et de l'oxygène. C'est la dernière étape de la respiration aérobie. La photophosphorylation est le processus de production d'ATP utilisant la lumière du soleil pendant la photosynthèse. 10.2.5.1.4 Schéma de la phase claire de la photosynthèse Globalement, il y a donc :  un flux d’électrons depuis l’eau jusqu’au NADPH  création d’une force protomotrice permettant la synthèse d’ATP Page 96 of 148 2021-2022 LBIR1150 10.2.5.2 La phase sombre Utilisation de l’énergie et du pouvoir réducteur produits par la phase claire ainsi que du gaz carbonique pour produire de la matière organique. Se déroule dans le stroma du chloroplaste et dans le cytosol (simultanément à la phase claire, durant le jour). → indépendante de la lumière Déscription en 2 étapes : 10.2.5.2.1 Le cycle de Calvin : conversion du carbone inorganique (CO2) en molécules organiques La fixation du CO2 se réalise dans le stroma du chloroplaste grâce au cycle de Calvin. La fixation du CO2 sur une molécule accepteur est catalysée par le ribulose-1,5-biphosphate carboxylase ou RUBISCO par une réaction de carboxylation et forme du 3-phosphoglycérate, ou PGA. Le PGA est ensuite réduit en glycéraldéhyde-3-phosphate, un sucre à 3 carbones. Cette opération nécessite de l’énergie et un pouvoir réducteur28, on consomme alors de l’ATP et du NADPH. La dernière étape consiste à régénérer le catalyseur du CO2, ribulose 1,5-bisphosphate, opération qui nécessite un nouvel apport en ATP. Dans le cycle de Calvin, 3 molécules d’ATP et 2 molécules de NADPH, qui ont été produites lors de la phase claire, sont consommées pour chaque molécule de CO2 convertie en glucide. 28 L’énergie et le pouvoir réducteur proviennent de la phase claire de la photosynthèse. Page 97 of 148 2021-2022 LBIR1150 10.2.5.2.2 Le carbone fixé sous forme de triose monophosphate (C3) aboutit en fin de compte à un sucre simple en C6 (hexose) La phase sombre de la photosynthèse permet donc la formation d’hexoses. Cependant, on remarque que le produit du cycle de Calvin est le glycéraldéhyde-3-phosphate, un triose. On va alors condenser le G3P en glucose et puis polymériser le glucose en amidon qui ne sortira pas du chloroplaste. L’amidon est donc un polymère de glucose uniquement synthétisé par les chloroplastes, là où le saccharose est un dimère de glucose et de fructose synthétisé dans le cytoplasme puis exporté hors de la membrane cellulaire. 1. Une partie du glycéraldéhyde-3-phosphate(2 molécules) va quitter le stroma du chloroplaste. ➝ condensation du triose en fructose diphosphate ➝ saccharose (fructose + glucose). ➝ c’est sous cette forme que les sucres sont transportés d’une cellule végétale à l’autre. 2. Le reste qui est resté dans le stroma va être condensé en glucose ➝ polymérisation en gros grain d’amidon. Page 98 of 148 2021-2022 LBIR1150 10.2.5.2.3 Réaction globale phase sombre 6 CO2 + 18 ATP + 12 NADPH + 12 H+ + eau → 2 glycéraldéhyde-3-phosphate + 16 Pi + 18 ADP + 12 NADP+ En six tours de cycle, six molécules de CO2 entrent, deux molécules de G3P sont produites et six molécules de RuBP sont régénérées. → En entrant 6 molécules de CO2 (6XC1) dans le cycle, 1 molécules de glucose va sortir (1XC6). 10.3 Les catégories nutritionnelles Phototrophes vs chimiotrophes Phototrophes : cellules qui utilisent uniquement la lumière comme source d’énergie. Chimiotrophes : vont utiliser comme source d’énergie de l’énergie libérée par divers réactions chimiques (ex : cassure entre liaisons chimiques,…) Autotrophes vs hétérotrophes Autotrophe : capable d'élaborer sa propre substance à partir des minéraux Hétérotrophe : qui se nourrit de substances organiques, ne peut effectuer lui-même la synthèse de ses éléments constituants Lithotrophes vs organotrophes Lithotrophe : organisme qui utilise un substrat minéral comme donneur d'électrons dans son métabolisme énergétique. Organotrophe : organisme qui tire son énergie du métabolisme d'un substrat organique (sucre, acide aminé, acide gras, etc.) ou qui utilise une molécule organique (acétate, lactate) comme donneur d'électrons dans la photosynthèse. Page 99 of 148 2021-2022 LBIR1150 autophotolithotrophes hétérochimioorganotrophes utilisent le dioxyde a besoin de de carbone comme substances source de carbone organiques puisent leur utilise l'énergie des énergie dans le réactions rayonnement chimiques lumineux tire son énergie du donneurs métabolisme d'un inorganiques substrat organique d’électrons Revoir le ppt partie 2 du prof et essayer de répondre à ses questions de synthèse 10.4 Chloroplastes et mitochondries : bouclage d’un cycle énergétique Chloroplastes Mitochondries - Phototrophes (exploitation de l’énergie - Chimiotrophes (exploitation de l’énergie des lumineuse) liaisons moléculaires) - Autotrophes (production de glucose sur base - Hétérotrophes (consommation de glucose de carbone inorganique utilisable par la suite issue du milieu extérieur pour la production pour la production d’ATP) d’ATP) - Lithotrophes (énergie obtenue de par - Organotrophes (énergie obtenue par l’oxydation de carbone inorganique) l’oxydation de carbone organique) Page 100 of 148 2021-2022 LBIR1150 11 Les peroxysomes 11.1 Déscription Organites sphériques Entourés d’une membrane simple Taille : - 0,1 à 1 μm de diamètre chez les animaux - 0,1 à 1,7 μm de diamètre chez les plantes Présents dans toutes les cellules eucaryotes (sauf les réticulocytes29) Peroxysomes = petits points rouges Riche en enzyme d’oxydo-réduction ➝ oxydases et catalases (formant parfois une structure cristalline dans l’organite). Site majeur de consommation d’oxygène (comme mitochondries) Ne contient pas d’ADN Bourgeonnent du réticulum endoplasmique 11.2 Structure o Membrane unique (≠ mitochondries) composée d’une bicouche lipidique dont la composition est proche de celle du RE (à la différence près que les protéines situées au niveau de la membrane ne sont pas glycosylées). o De nombreuses protéines sont enchâssées dans la membrane : permettent d’assurer le fonctionnement des peroxysomes et l’importation des différents composants vers le peroxysome. 11.3 Importation des constituants Etant donné qu’ils n’ont pas d’ADN propre, ils ne savent pas synthétiser de protéines ➝ importation. L’importation des protéines dans le peroxysome dépend d’une courte séquence d’acides aminés (= la séquence d’adressage au peroxysome) et nécessite des récepteurs de surface dans la membrane du peroxysome et des protéines membranaires spécifiquement impliquées dans ce transport (peroxines). Transporteurs ABC vont utiliser de l’ATP (transport actif) pour réaliser des transports membranaires. 11.4 Rôles  Détoxification par oxydation d’un certain nombre de molécules toxiques hydrophiles. Les peroxysomes peuvent être considérés comme « des éboueurs de la cellule ».  Oxydation des acides gras en acétyl CoA, qui sera utilisé comme précurseur de la synthèse de nombreuses molécules ou comme source énergétique (cycle de Krebs). 29 Réticulocytes = jeunes globules rouges relativement immatures Page 101 of 148 2021-2022 LBIR1150 NB : Chez les plantes, certains peroxysomes particuliers (glyoxysomes) sont capables de convertir les acides gras en glucose. Ce processus est particulièrement important lors de la germination des graines riches en lipides. 11.4.1 Détoxification par oxydation de molécules toxiques hydrophiles Sites majeurs de consommation de O2 (réactions d’oxydations) sans production d’énergie utile pour la cellule (≠ respiration où l’oxygène est utilisé pour former de l’ATP). 11.4.1.1 Oxydases Les oxydases utilisent l’O2 pour oxyder (enlever des atomes libres d’H) des substrats organiques spécifiques, R, avec formation de peroxyde d’hydrogène. RH2 + O2 ➝ R + H2O2 Or, le peroxyde d’hydrogène est un composé instable qui spontanément va se dégrader en produisant un radical particulier : le radical hydroxyle ➝ dégradation en OH- MAIS OH- est instable ➝ chercher à compenser son électron manquant ➝ interaction avec des protéines, lipides, acides nucléiques qu’il va dégrader. 11.4.1.2 Catalases La catalase utilise le pouvoir oxydant du peroxyde d’hydrogène H2O2 pour oxyder une variété d’autres substrats toxiques R’ (phénols, acide méthanoïque, alcool) (réaction de peroxydation). H2O2 + RH2 ➝ R + H2O Si excès d’H2O2, la catalase le transforme directement en eau, de façon à éviter la formation de OH-. Réaction de détoxification : 2 H2O2 ➝ 2 H2O + O2 11.4.2 Oxydation des acides gras en acétyl-CoA Un acide gras à longue chaîne va être dirigé vers le peroxysome et va entrer à l’intérieur de celui-ci par l’intermédiaire de perméases. Ce sont des perméases de la famille ABC donc qui consomment de l’ATP. Ce métabolite va être pris en charge par des oxydases, dont le fonctionnement va être assuré grâce à l’O2 qui diffuse à travers la membrane ➝ production d’acétyl-CoA qui va sortir du peroxysome via les perméases. L’acétyl-CoA et les courtes chaînes carbonées vont ensuite se diriger vers la mitochondrie pour alimenter le cycle de Krebs. Le peroxyde d’hydrogène résiduel créé par les oxydases est quant à lui pris en charge par les catalases pour produire de l’eau et du dioxygène. Cette action particulière des catalases porte le nom de détoxification. Page 102 of 148 2021-2022 LBIR1150 NB : l’acétyl-CoA est une sous-unité de l’acyl-CoA Page 103 of 148 2021-2022  LBIR1150 12 Le cytosquelette structure et mouvements cellulaires Cytosquelette = échafaudage de filaments protéiques à l’intérieur des cellules. Il existe 3 classes majeures de fibres cytosquelettiques qui sont classées en fonction des monomères protéiques qui les constituent : ✓ Microtubules (MT) ✓ Microfilaments (MF) ✓ Filaments intermédiaires (FI) Bleu : filaments intermédiaires nucléoplasmiques Vert : microtubules Rouge : actine 12.1 Les microtubules 12.1.1 Déscription Les microtubules sont constitués de 2 types de protéines globulaires : − les tubulines  − les tubulines  Tubulines  et  forment des dimères qui s’assemblent longitudinalement en protofilaments. 13 protofilaments s’associent pour former une structure en tube creux de 25 nm de diamètre = le microtubule Les microtubules sont formés et rayonnent, àpd de centres organisateurs de microtubules (MTOC) (extrémité « - »), vers la périphérie (extrémité « + » du MT) Les microtubules existent sous une forme stabilisée quand ils entrent dans la constitution des cils, des flagelles et des centrioles. Mais sont en état d’instabilité dynamique ailleurs dans le cytoplasme. Comme expliqué dans le point précédent, partout ailleurs dans le cytoplasme, les microtubules sont dans un état dynamique constant de polymérisation et dépolymérisation (demi-vie 20s à 10min). Page 104 of 148 2021-2022 LBIR1150 12.1.1.1 Chez les cellules animales et la plupart des protistes 1 seul centre organisateur de microtubules appelé « centrosome » : − Localisé près du noyau − Il contient 2 centrioles, structures cylindriques, elles-mêmes composées de MT et qui interviendraient dans l’organisation des protéines du MTOC. Chaque centriole est composé de 9 triplets de microtubules. − Zone péricentriolaire entourant les centrioles (nuage de matériel amorphe). Le centrosome est, entre autres, responsable de la réorganisation des MT lors de la division cellulaire (mitose) : durant l'interphase, le centrosome est responsable de la nucléation microtubulaire. Le centrosome = organite non membrané qui se compose d’une paire de centrioles perpendiculaire l’un à l’autre, entourée par un nuage de matériel amorphe appelé matériel péricentriolaire. 12.1.1.2 Chez les cellules végétales, des champignons et de certains protistes Il existe des centaines de MTOC ne contenant pas de centrioles. Chez les plantes, ils sont localisés à la surface du noyau et contre le plasmalemme. 12.1.2 Fonctions 12.1.2.1 Les cils et flagelles Les microtubules sont les constituants essentiels de cils et flagelles A la base des cils et des flagelles : le corps basal. Il participe à la construction des 9 doublets de MT Le corps basal a également une fonction d'ancrage des cils et flagelles dans la cellule. Structure 9+2 ➝ 9 paires de MT qui entourent 2 microtubules centraux Page 105 of 148 2021-2022 LBIR1150 La structure des flagelles et cils des cellules eucaryotes nécessite l'expression de 250 à 400 gènes pour la seule mise en place de l'architecture axonémale dont le battement (< 70 Hz) est soit plan soit tridimensionnel. Un flagelle actif est une machine macromoléculaire permettant le mouvement mais il est également un couloir :  d’intense circulations de ‘trains” d’informations  de substances énergétiques à acheminer  des déchets métaboliques à évacuer Exemples : A. L’euglène = long flagelle à l’avant du protiste B. Le spermatozoïde ➝ flagelle : consommation d’énergie importante ➝ pièce intermédiaire pleine de mitochondries qui utilisent le liquide séminal pour synthétiser de l’ATP. C. La paramécie (présence de 2 noyaux) ➝ présence de cils sur le périmètre 12.1.2.2 Formation du fuseau mitotique Le centrosome se duplique pendant l'interphase (S) et, pendant la mitose, se sépare pour former les deux pôles du fuseau mitotique (appareil mitotique). Il y a donc 2 paires de centrioles appelées chacune « diplosome », c'est de ces deux pôles que seront nucléés les microtubules du fuseau mitotique. 12.1.2.3 Déplacement d’organites Les déplacements d’organites s’effectuent le long des MT à l'intervention de protéines motrices. Page 106 of 148 2021-2022 LBIR1150 Ne pas retenir le schéma Sur la photo : − Jaune : Complexes de la dynactine marquée à la GFP (= protéine fluo) − Rouge : Microtubules en rouge 12.2 Les microfilmants 12.2.1 Déscription Constitué d’une seule protéine globulaire ➝ l’actine Les monomères d’actine polymérisent en deux chaînes lâchement enroulées en hélice, formant un MF de 7 nm de diamètre. Structure dynamique Les molécules d’actine s’associent souvent à une protéine, la myosine ➝ structures contractiles intervenant dans la contraction musculaire et la division des cellules animales. 12.2.2 Fonctions Mouvements cytoplasmiques de cyclose assurant une meilleure dispersion des molécules et entraînant divers organites Déplacements des cellules animales par pseudopodes Forme des cellules animales (microvillosités) Les monomères d’actines sont aussi associés aux desmosomes en ceintures qui assurent ainsi un ancrage entre cellules tout en permettant leur déformation. 12.3 Les filaments intermédiaires 12.3.1 Déscription Présent UNIQUEMENT dans les cellules animales Constitués de protéines fibreuses associées en tétramères en se chevauchant partiellement. Les tétramères forment des protofilaments, et 8 protofilaments disposés parallèlement en tube forment le FI (10 nm de diamètre). Varient quant à la composition de leurs monomères ➝ vimentine, kératine, … Structure très résistante et persistante Page 107 of 148 2021-2022 LBIR1150 Composant le plus stable du cytosquelette ➝ une fois formé, il est stable et ne se dissocie plus (>< MT). 12.3.2 Fonctions → stabilité mécanique des cellules animales (résistance et persistance) Ils forment un réseau de la périphérie cellulaire jusqu’au noyau assurant une stabilité mécanique. Ils sont connectés aux desmosomes en disques et permettent la répartition sur tout le tissu des forces de tension exercées en un point. Page 108 of 148 2021-2022 LBIR1150 13 Ribosomes : la synthèse protéique Dogme central de la biologie moléculaire : Les trois rôles majeurs de l’ARN : 1. L’ARNm et le code génétique 2. L’ARNt ou la lecture du message 3. L’ARNr composant des ribosomes Les protéines sont des composants actifs de la machinerie cellulaire : l’ADN stocke l’information pour synthétiser les protéines, l’ARN la transporte et participe à son utilisation et les activités biologiques sont réalisées par les protéines. L’ordre des AA dans une protéine détermine sa structure et sa fonction. Le processus qui permet la synthèse d’une protéine à partir de l’ARN est appelé la traduction. 13.1 Le code génétique Le code génétique est l'ensemble des règles permettant de traduire les informations contenues dans le génome des cellules vivantes afin de synthétiser les protéines. Au sens large, il établit la correspondance entre le génotype et le phénotype d'un organisme. Voir tableau de correspondance entre les codons et les AA. Un groupe de 3 nucléotide forme un codon qui pourra être lu par les « lecteurs génétiques » qui vont ensuite faire la correspondance entre les codons et les acides aminés. On sait qu’il existe 4 nucléotides qui peuvent s’assembler en codons par groupe de 3. On obtient donc l’existence de 43 soit 64 codons au total, qui ne seront en réalité utilisés que pour désigner 20 acides aminés. 61/64 servent à spécifier des acides aminés ; dont codon initiateur. 3/64 servent de codons stop. On déduit donc que plusieurs codons peuvent coder un même acide aminé. Le code génétique est dégénéré/redondant mais pas spécifique. Un même acide-aminé peut être spécifié par plusieurs codons mais l’inverse n’est pas vrai : un même codon ne peut spécifier qu’un seul acide aminé. Le code génétique est universel à quelques exceptions près. Il est commun à presque tous les êtres vivants, témoin de leur origine commune. Codon initiateur : méthionine (AUG) Codon STOP : codé par 3 codons ≠ (UAA, UAG, UGA) Page 109 of 148 2021-2022 LBIR1150 13.2 L’ARNt ou lecture du message L’ARNt joue un rôle d’adaptateur entre les codons de l’ARNm et les AA correspondants. Les ARNt ont une structure tridimensionnelle en forme de trèfle Les anticodons peuvent s’associer à un codon par complémentarité des bases. Des enzymes spécifiques vont fixer l’acide aminé approprié. 13.3 La synthèse protéique L'information nécessaire à la synthèse d'une protéine est porté par un gène, qui est une séquence de nucléotides de l'ADN. La synthèse des protéines se fait en trois grandes étapes : 1) La transcription du gène codant pour la protéine correspond à la synthèse d'un ARN messager qui transporte l'information du gène vers le cytoplasme. 2) La traduction de ce message génétique dans le cytoplasme permet la synthèse du polypeptide correspondant. a) L’initiation b) L’élongation c) La terminaison 3) La maturation transforme le polypeptide synthétisé en protéine fonctionnelle. 13.3.1 La transcription Une information génétique (un gène) portée par l'ADN est transcrit en ARN messager. Ce transfert d'information repose sur l'appariement des bases complémentaires, comme lors de la réplication de l'ADN. La base complémentaire de la des mines de l'ADN et l'uracile dans l’ARN messager. La synthèse de l’ARN messager est catalysée par un complexe enzymatique, l'ARN polymérase, qui assure plusieurs fonctions :  Reconnaître sur l'ADN des séquences de nucléotides qui donnent les signaux de départ et de terminaison pour la transcription d'un gène.  Séparer localement les deux brins de la molécule d'ADN en cassant les liaisons hydrogène.  Associer des ribonucléotides dans l'ordre imposé par la séquence des bases de l'ADN. L’ARN messager (ARNm) ainsi constituée peut sortir du noyau en important un message génétique. 13.3.2 La traduction La traduction de l'ARN messager (ARNm) par les ribosomes nécessite l'intervention des acides ribonucléiques de transfert (ARNt) qui sont des polynucléotides de plus petite taille que les ARNm. Page 110 of 148 2021-2022 LBIR1150 La structure tridimensionnelle de ces ARNt délimite 2 sites particuliers. Le premier permet la fixation d'un acide aminé spécifique. Le second, l’anti-codon, est formé de 3 bases complémentaires à celles d'un codon de l'ARNm dont il assure la reconnaissance. La traduction débute au moment où l’ARNm se lie au ribosome. Celle-ci se déroule en 3 étapes : 1) L’initiation 2) L’élongation 3) La terminaison 13.3.2.1 L’initiation : assemblage du complexe − La présence sur l’ARNm d'un codon d’initiation (AUG) entraîne l’association des deux sous- unités du ribosome et la fixation de l’ARNt chargé portant l’anticodon UAC d'une part et l’acide aminé méthionine d'autre part. La traduction débutant toujours au niveau du même codon d'initiation, tous les polypeptides en cours de synthèse présentent à leur extrémité libre le même acide aminé, la méthionine. 13.3.2.2 L’élongation : formation de la liaison peptidique et translocation du ribosome − Ensuite, le ribosome permet la fixation, sur le codon voisin, d'un deuxième ARNt portant son acide aminé. Dès que les deux acides aminés sont côte à côte, le ribosome les réunis en catalysant la liaison peptidique par le biais d’une réaction de condensation entre 2 acides aminés. − Tandis que le ribosome avance d’un codon, l’ARNt qui portait la méthionine se détache de l’ARNm. Un autre ARNt porteur de son acide aminé se fixe sur ce nouveau codon permettant au ribosome de former une nouvelle liaison entre les second et Page 111 of 148 2021-2022 LBIR1150 troisième acides aminés. Au fur et à mesure que le ribosome se déplace le long de l'ARN messager (translocation), la chaîne d'acides aminés s'allonge. Ce processus de translocation demande l’énergie. Cycle de translocation : Lorsque la liaison peptidique est formée, un des ARNt se retrouve sans acide aminé. Il est alors éjecté de la grosse sous-unité. Un nouvelle ARNt accompagné de son acide aminé spécifique ainsi que d’un facteur d’élongation vient alors prendre la place du site précédemment inoccupé. Une fois le site occupé, le facteur d’élongation quitte le ribosome laissant celui-ci dans la possibilité de re-condenser 2 acides aminés. Le cycle se poursuit ainsi jusqu’à l’apparition d’un codon STOP mettant fin à la synthèse de la protéine. 13.3.2.3 La terminaison − L’élongation se poursuit jusqu'à ce que le ribosome arrive au niveau d'un codon « stop » (UAA, UAG ou UGA) qui sonne la fin de la traduction : c'est la terminaison. A ce moment, le ribosome libère l’ARNm et le polypeptide synthétisé. La succession des acides aminés du polypeptide est appelée la structure primaire. − Généralement, plusieurs ribosomes se suivent sur un même ARNm, constituant un polysome (=chaînes de ribosome). Cette traduction multiple permet d'augmenter le nombre de polypeptides synthétisés. Page 112 of 148 2021-2022 LBIR1150 La terminaison nécessite cependant des facteurs « accessoires ». Le cycle suit donc son cours jusqu’à tomber sur un codon STOP. Lorsque c’est le cas, ce n’est plus un ARNt chargé qui prend place A dans le ribosome, mais une protéine appelée « facteur de terminaison ». Tout de suite après, la chaîne polypeptidique se décrochent du dernier ARNt. Une fois cette action effectuée, tous les composants se dissocient, laissant l’ARNt déchargé, les 2 sous-unités du ribosome et le facteur de terminaison vacant dans le cytosol. 13.3.3 La maturation Les polypeptides fabriqués par les ribosomes ne sont pas fonctionnels, excepté pour les plus courts d'entre eux. Une protéine ne devient fonctionnel que lorsqu’elle a acquis configuration tridimensionnelle. Cette configuration ne sera atteinte qu'après certaines modifications : élimination de fragments, formation de ponts disulfures, fixation de polysaccharides,... 13.4 Le cas particulier des protéines synthétisées à la surface de RER Les protéines qui seront sécrétées et celles qui seront adressées aux vacuoles ou aux lysosomes sont synthétisées par des ribosomes à la surface du RER. Tandis que les protéines destinées aux mitochondries, les plastes, les peroxysomes ou dans le noyau sont synthétisées par des ribosomes libres dans le cytosol. → les ribosomes libres ou à la surface du RER sont en tous points identiques. 13.4.1 Protéines synthétisées par les ribosomes à la surface du RER La synthèse des protéines est initiée dans le cytosol. Quand les 20-30 premiers acides aminés de la chaîne naissante de protéine ont été assemblés, on parle de cette chaîne comme « la séquence de signal ». (Pour rappel, cette chaîne est toujours liée au ribosome). Cette séquence signal contient de nombreux AA hydrophobes qui permettent son insertion dans la membrane du réticulum endoplasmique. Elle entraine également l’arrimage du ribosome à la membrane du RE. L’élongation reprend et la protéine est alors synthétisée à l’intérieur du RE et traverse la membrane du RE en même temps qu’elle est synthétisée. Page 113 of 148 2021-2022 LBIR1150 Une fois le polypeptide détaché, la séquence signal va ensuite être clivée par une enzyme se trouvant dans la face interne de la membrane ➝ signal peptidase. On peut ensuite distinguer 2 catégories de protéines finales : les protéines solubles qui finissent leurs courses dans la lumière du RE et les protéines membranaires qui resteront enchâssées dans la membrane du RE. 13.4.2 Protéines synthétisées par les ribosomes libres du cytosol a) Le gènes portés par l'ADN est transcrit en ARN messager qui quitte le noyau par les pores nucléaires. b) Dans le cytoplasme, la traduction de l’ARN messager permet la synthèse d'un polypeptide. c) Dans certains cas, ce polypeptide reste libre dans le cytosol, mais dans d'autres cas, il passe dans les tubules du réticulum endoplasmique où il continue sa maturation. d) De petites vésicules contenant les protéines en maturation se détachent du réticulum endoplasmique et fusionnent pour former les saccules de l'appareil de Golgi. Au niveau de ces saccules, les protéines terminent leur maturation avant d'être concentrées dans de petites vésicules, les vésicules golgiennes, qui se forment par bourgeonnement d’un saccule. e) Suivant la protéine synthétisée, les vésicules golgiennes ont différentes destinées. Les unes renferment des hydrolases et deviennent des lysosomes qui interviennent dans la digestion Page 114 of 148 2021-2022 LBIR1150 cellulaire. Les autres concentrent des produits qui seront libérés de la cellule par exocytose ; c'est le cas, par exemple, des sucs digestifs fabriqués par les cellules des glandes digestives. 13.5 Les ribosomes 13.5.1 Déscription Inclusions oblongues30 de 15 à 25 nm Présents dans toutes les cellules et formés de deux sous-unités de taille différente. Toujours en grand nombre (environ 15 000 pour une cellule bactérienne, plusieurs millions pour une cellule humaine) Sont soit fixés à la surface du RER soit libres dans le cytosol. Plastes et mitochondries en contiennent également. Principal constituant des ribosomes : ARNr (55 % de leur poids). Les autres constituants des ribosomes sont divers types de protéines. Les ribosomes des procaryotes et des eucaryotes diffèrent. Chaque ribosome possède plusieurs sites de liaisons à l’ARNt, ils sont au nombre de 3 et portent les lettres E, P et A respectivement. Structure atomique complète de la grosse sous-unité du ribosome procaryote. L’ARN ribosomique est beige, bleu et vert pâle. Toutes les autres couleurs correspondent aux différentes protéines du ribosome. 13.5.2 Rôles Le ribosome a des fonctions de décodage et d’enzyme : Les ribosomes sont le site où vont se regrouper et se fixer les différents participants à la synthèse des protéines : l'ARNm, les ARNt chargés de leurs acides aminés et un certain nombre d'enzymes. Il joue un rôle clé dans la traduction avec l’assistance de l’ARNm, de l’ARNt ainsi que d’autres facteurs. L’interaction entre ribosomes et les autres types d’ARN est nécessaire pour la traduction. REM : les 2 sous-unités ribosomales ne sont pas associées. Elles s’associent seulement lors de la traduction. 30 Oblongue = qui est plus longue que large Page 115 of 148 2021-2022 LBIR1150 14 Le noyau au repos 14.1 Quelques généralités Noyau au repos = noyau entre 2 divisions successives = noyau interphasique Uniquement chez les eucaryotes (procaryotes ➝ nucléoïde où se trouve l’ADN nu) En général, 1 seul noyau par cellule. Exception : certains champignons peuvent en avoir 2 ou plusieurs par cellule. Certaines cellules, comme le globule rouge, n’ont pas de noyau car il a dégénéré et fini par disparaître. En général, il est sphérique mais il peut varier en fonction du type cellulaire (ovoïde31, lenticulaire32, de contour irrégulier,…) Se situe généralement au centre de la cellule, MAIS chez les cellules végétales différenciées, il est rejeté contre les parois par la grande vacuole centrale. Taille variable 5 à 15 µm (environ 1/10 du volume de la cellule) Même si on parle de noyau « au repos », c’est une organite extrêmement dynamique 14.2 Structure, composition chimique et rôles du noyau 14.2.1 Structure 14.2.1.1 Membrane nucléaire Elle est percée de pores nucléaires qui peuvent être plusieurs milliers par noyau ont un diamètre de 50 à 100 nm. Ces pores nucléaires permettent un trafic en double sens entre le noyau et le cytosol. Des molécules d’ARN et des sous-unités ribosomales vont quitter le noyau et diverses petites molécules comme des nucléotides et des protéines vont entrer dans le noyau. Seules les protéines possédant une séquence d’importation nucléaire pourront entrer. Rôle : o Protège l’ADN très fragile des mouvements cytosquelettiques o Permet une séparation dans le temps et l’espace de la transcription de l’ADN en ARN (dans le noyau) et de la traduction (dans le cytosol ou sur le RER). Elle renferme le nucléoplasme : solution aqueuse riche en nucléotides, en ATP et en enzymes intervenant entre autres dans la synthèse de l’ADN et de l’ARN Le noyau est un organite à 2 membranes (ou membrane double)33 : 31 Ovoïde = qui a la forme d’un œuf 32 Lenticulaire = qui a la forme d’une lentille 33 Le noyau peut donc être considéré comme un organite Page 116 of 148 2021-2022 LBIR1150  La membrane externe est en continuité avec la membrane du RE et des ribosomes s’y trouvent accolés ➝ l’espace entre les 2 membranes est donc en continuité avec la lumière du RE.  La membrane interne → Les deux ensemble forment la membrane nucléaire. 14.2.1.2 La lamina nucléaire La lamina nucléaire est un maillage fibrillaire dense bordant (côté nucléoplasme) l'enveloppe nucléaire d'une cellule. Il s'agit d'un réseau protéique fibreux, homologue aux filaments intermédiaires qui double la membrane interne de l'enveloppe nucléaire formant une couche de 10 à 20 nm d'épaisseur et interrompue par des pores nucléaires. Ce réseau est composé de polypeptides appelés lamines de 3 types différents : lamine A, lamine B et lamine C. La lamine A et la lamine C sont quasi identiques. À la différence des filaments intermédiaires, la lamina nucléaire a un domaine central plus long et un signal de localisation nucléaire. Rôle : la lamina donne sa forme au noyau, rend rigide l'enveloppe nucléaire et joue un rôle dans la disparition et la reconstitution de la membrane nucléaire lors de la division cellulaire. Elle sert aussi à la fixation des chromatides à la périphérie du noyau et représente un support structural pour l'enveloppe nucléaire. On l'appelle aussi nucléosquelette ou nucléocortex. 14.2.1.3 Nucléole Le noyau contient également 1 ou plusieurs nucléoles. Les nucléoles sont des régions du nucléoplasme de forme souvent sphérique, non limitée par une membrane → pas un organite, seulement partie particulière du noyau. Ils sont les sites de fabrication des sous-unités des ribosomes. Dans le nucléole se déroule la synthèse des ARNr et l’assemblage des sous-unités des ribosomes à partir de ces ARNr et des protéines ribosomales importées depuis le cytoplasme. Page 117 of 148 2021-2022 LBIR1150 14.2.1.4 La chromatine o = un complexe associant l’ADN, chargé négativement, à des protéines basiques, chargées positivement, appelées histones. o Se trouve dans le nucléoplasme o Que chez les eucaryotes (absente chez les procaryotes) o Rôle : Compacter l’ADN Diminuer sa fragilité, le protéger o Les histones forment des assemblages de forme cylindriques autour desquels la double hélice d’ADN vient s’enrouler ➝ nucléosome. o Les nucléosomes sont reliés entre eux par le l’ADN, qui s’enroule autour d’un autre axe d’histones différents ➝ fibre de chromatine o La fibre de chromatine est repliée en boucles ➝ boucle de chromatine o Les boucles de chromatine sont attachées par leur base à la charpente des chromosomes qui est formée de protéines de nature non-histone. Toutes ces condensations donnent le chromosome interphasique. o Pas de chromosomes au sens strict dans le noyau interphasique. L’ADN est présent sous forme d’une « assiette de spaghetti ». Cela ne veut pas dire que c’est complètement désorganisé, le nucléole est en effet divisé en territoires chromosomiques. Page 118 of 148 2021-2022 LBIR1150 Les différents états de la chromatine : A. Euchromatine : forme relâchée, transcriptionnellement active B. Hétérochromatine : forme dense, transcriptionnellement inactive Nucléole fort condensé pas parce qu'il contient de l'hétérochromatine mais parce qu'il extrêmement actif dans tout ce qui est lié à la synthèse des chromosomes 14.2.2 Rôles Assurer le stockage de l’ADN, sa réplication et sa transcription en ARN La synthèse des sous unités ribosomales Intervient dans le contrôle du fonctionnement cellulaire Contrôle de la transmission d’informations (processus héréditaire) Division et reproduction cellulaire 14.3 La notion de gène Définition : un gène est une portion d'ADN qui peut être transcrite en ARN. Ainsi tout l’ADN n’est pas codant. Un gène est borné par 2 signaux : A. l'un appelé le promoteur de transcription : situé en amont du gène. Les promoteurs sont en général suivis immédiatement du site de démarrage de la transcription (TSS, Transcription Start Site. Le promoteur de transcription n’est donc jamais transcrit car non compris dans l’intervalle transcrit. B. l'autre appelé le terminateur de transcription : situé en aval du gène. 14.4 La transcription eucaryote 1) Le promoteur est reconnu par des protéines, appelées les facteurs de transcription qui vont s’y fixer. 2) Les facteurs de transcription vont ensuite recruter l’ARN polymérase (une enzyme) qui va, à son tour, se fixer à l’ADN et séparer localement les 2 brins d’ADN complémentaires. Page 119 of 148 2021-2022 LBIR1150 3) La transcription ne commence pas au niveau du codon start mais en amont du codon start au niveau du TSS, un UTR (région transcrite en ARNm mais non traduite en protéine) 4) L’ARN polymérase va ensuite se déplacer le long d’un des deux brins et commencer la transcription, càd construire une copie complémentaire en ARN du brin d’ADN. 5) Lorsque l’ARN polymérase rencontre le terminateur de transcription, la transcription s’arrête. L’ARN polymérase se détache et ARN synthétisé est libéré. REM : Chez les eucaryotes, l’ARN qui est transcrit à partir de l’ADN est inactif. On l’appelle pré-ARN. Il doit subir une maturation pour devenir fonctionnel. Cependant, le phénomène de transcription est complexe, et nécessite l’implication d’autres facteurs externes. Parmi eux on retrouve : Les activateurs : les activateurs sont des protéines. Ces protéines s’unissent à l’ADN sur des sites éloignés que l’on désigne comme des « amplificateurs ». L’ADN se replie ensuite comme une boucle de façon à rapprocher l’amplificateur à proximité du complexe d’initiation. Les protéines d’activation interagissent alors avec le complexe et accélèrent la transcription. Les coactivateurs : les coactivateurs sont des facteurs de transcription qui permettent une certaine stabilité au complexe de transcription en formant des ponts entre les protéines d’activation et le complexe, c’est le châssis quoi. Les facteur généraux : il faut savoir que l’ARN polymérase aime picoler, il arrive donc souvent que lors d’un lendemain de soirée un peu trop arrosée, il requiert un peu d’aide pour ce placer. Les facteurs généraux interviennent alors pour placer l’ARN polymérase au point de départ d’une séquence codante. Une fois le travail effectué, ils le libèrent pour que ce poivrot puisse entamer la transcription. Page 120 of 148 2021-2022 LBIR1150 14.5 Maturation des molécules d’ARNm eucaryotes La maturation est l’ensemble des modifications que vont subir les molécules de pré-ARN. Ces modifications sont de 3 types : élimination, addition ou modification de certaines séquences nucléotidiques. Ces modifications affectent différemment les 3 familles d’ARN (r, t et m). Nous expliquerons un peu plus en détails celles qui concernent l’ARNm. L'ARNm qui est transcrit à partir de l'ADN est inactif (pré-ARN)  maturation nécessaire Les pré-ARN sont modifiés dans le noyau : A. Queue de poly A : un fragment est éliminé à l’extrémité 3’ des molécules de pré-ARNm et remplacé par une séquence ne comportant que A que l’on appelle la queue de poly-A. 100- 200 nucléotides ajoutés par polyA polymérase  Stabilité de l’ARN  Protection contre dégradation. B. Coiffe méthyle-guanosine : à l’extrémité 5’ de l’ARNm, un nucléotide particulier est ajouté, le GTP méthylé  Important pour la traduction car sans cette addition, l’ARNm ne sera pas reconnu par la petite sous-unité du ribosome et ne sera pas traduit.  Stabilité de l’ARN et maturation ultérieure C. Epissage alternatif : les introns vont être enlevés de l’ARNm et les exons restants vont être soudés bout à bout. REM : l’épissage d’un brin de pré-ARNm peut donner 2 ARNm mature. → L’ARN mature est ainsi formé, il peut être significativement plus court que le pré-ARNm dont il est dérivé. Ce n’est que lorsqu’il a été maturé qu’il migre vers le cytoplasme. Page 121 of 148 2021-2022 LBIR1150 Vocabulaire :  Un intron : portion du transcrit primaire, non codante. Chez les organismes eucaryotes, les gènes qui codent les protéines sont constitués d'une suite d'exons et d'introns. Après la transcription, l'ARN synthétisé va subir un certain nombre de modifications, dont l'épissage, au cours duquel les introns vont être excisés.  Un exon : portion de gène codante.  Un UTR (pour Untranslated Region) est une région transcrite en ARN mais non-traduite en protéine  Transcriptomes = ensemble des ARNm dans une cellule 14.6 Régulation de l’expression des gènes Bien que toutes les cellules d’un individu pluricellulaire possèdent exactement les mêmes gènes, elles peuvent être différentes les unes des autres, ne pas exercer toutes les mêmes activités. De même qu’une cellule donnée peut réaliser des activités différentes au cours du temps ou en fonction de certains stimuli extérieurs. Les cellules d’un être vivant pluricellulaire sont donc différenciées (spécialisées en différents types cellulaires, définis comme des ensembles de cellules ayant les mêmes caractéristiques). Cela résulte du fait que même si les cellules sont génétiquement identiques, elles n’expriment pas tous leurs gène et pas tout le temps. Page 122 of 148 2021-2022 LBIR1150 14.7 L’expression des gènes récapitulons Page 123 of 148 2021-2022 LBIR1150 15 Le cycle cellulaire : interphase, réplication de l’ADN, mitose et division cellulaire. 15.1 Cycle cellulaire Définition : l'ensemble des transformations successives liées à la croissance et à la division cellulaires. Ce cycle se déroule en plusieurs phases et sa longueur peut varier (la longueur du cycle peut durer jusqu’à 1 an mais en général prend 20min pour des cellules animales embryonnaires et 24h pour des cellules adultes. La longueur du cycle dépend uniquement de la longueur de la phase G1). La plupart des cellules d’un animal sont en phase G0 (phase de repos). Ces cellules ne sont alors plus capables de se diviser. Certaines y restant de façon permanente comme les cellules nerveuses (moelle épinière) et musculaires par exemple. L’essentiel de la vie cellulaire se passe avec les cellules en interphase (phase M ne dure que quelques minutes à quelques heures) tandis que la phase G dure plus longtemps. Toute cellule provient de la scission d’une cellule pré-existante. Les cellules-filles possèdent toutes les caractéristiques de la cellule-mère, ce qui implique un partage équilibré entre tous ses constituants essentiels. Ce partage pose problème au niveau du noyau qui est unique. La cytocinèse (division cellulaire) est donc nécessairement précédée de la mitose (division du noyau). Le cycle cellulaire comporte cinq phases (/!\ exam) : 1) G1 2) S l’interphase 3) G2 4) Mitose la phase M 5) Cytocinèse 15.1.1 L’interphase  partie du cycle cellulaire séparant 2 divisions Trois parties : 15.1.1.1 Phase G1 (gap, intervalle 1) − Principale phase de croissance de la cellule − Intervalle entre cytocinèse et synthèse de l’ADN − Stade le plus long dans la plupart des cellules − Chacune des fibres de chromatine forment des chromosomes interphasiques (territoires chromosomiques) 15.1.1.2 Phase S (Synthèse) − Duplication de l’ADN (= copie du génome) Page 124 of 148 2021-2022 LBIR1150 − Chacun des chromosomes interphasique est dupliqué et produit 2 chromatides sœurs qui restent unies au niveau du centromère. − Duplication des centrosomes (dans les cellules animales) pour la nucléation microtubulaire (fuseau mitotique rattaché à chaque pôle de la cellule (formé grâce aux centrosomes)) − Synthèse de tubuline  et  (car tubuline = constituant des microtubules) La réplication de l’ADN : La quantité d’ADN dans la cellule en phase G2 = 2x celle en G1 1. La réplication de l’ADN fait intervenir plusieurs enzymes. Elle commence simultanément en plusieurs endroit de l’ADN, aux origines de réplication, qui sont reconnus par des protéines d’initiation de la réplication. 2. D’autres protéines vont séparer les deux brins de la double hélice d’ADN, ce qui va former des fourches de réplication. 3. De nouveaux nucléotides vont s’associer par ponts hydrogènes et vont être polymérisés de 5’ en 3’ par l’action de l’ARN polymérase. ➝ Chacun des 2 brins de l’hélice sont ainsi copiés. Brin avancé : polymérisation en continu Brin retardé : polymérisation discontinue (fragments d’Okazaki). Ce phénomène s’explique par le fait que l’ADN polymérase ne peut polymériser l’ADN que dans le sens 5’ → 3’, la réplication étant faite au fur et à mesure du déroulement de l’ADN, un des deux brins (qui sont antiparallèles) ne peut être répliqué en continu.  La réplication de l’ADN est semi-continue 15.1.1.3 Phase G2 (gap, intervalle 2) − Intervalle entre duplication du génome et début de la mitose − Préparation de la séparation du génome dupliqué − Réplication des organites − Début d’assemblage des microtubules au niveau du fuseau − Les chromosomes se condensent encore plus étroitement. Page 125 of 148 2021-2022 LBIR1150 15.1.2 Phase M  partie du cycle cellulaire impliquant la division de la cellule  Par mitoses et cytocinèses, toutes les cellules d'un être vivant pluricellulaire sont génétiquement identiques et forment un clone. 15.1.2.1 Mitose (pouvoir faire la comparaison avec la cinèse 1 de la méiose) Etape essentielle dans la séparation de 2 génomes-frères. C’est le processus qui divise le noyau, générant 2 noyaux-fils ayant le même nombre de chromosomes que le noyau de départ et génétiquement identiques. Quatre parties : 15.1.2.1.1 Prophase − Condensation de la chromatine en chromosomes : les zones qui correspondaient au nucléole se retrouvent incorporées sous forme de chromosomes mitotiques ➝ disparition des nucléoles. Chromosomes interphasiques ➝ chromosomes mitotiques. − Disparition de l’enveloppe nucléaire et donc du noyau ➝ contact direct entre le cytosol et le nucléoplasme. − Les centrosomes se disposent des deux côtés opposés du noyau. − Apparition du fuseau de microtubules : chaque chromatide d’un chromosomes et rattachée au niveau du centromère et plus précisément des kinétochores, à un pôle opposé de la cellule par l’intermédiaire de microtubules − L’appareil de golgi et le RE se dispersent 15.1.2.1.2 Métaphase − Les chromosomes entrent en mouvement : ils migrent vers l’équateur de la cellule − Tous les chromosomes sont alignés à l’équateur de la cellule ➝ plaque métaphasique/équatoriale. − Chacune des chromatide et liée à un centrosome différent, les chromosomes sont attachés aux 2 pôles et sont sous tension Page 126 of 148 2021-2022 LBIR1150 15.1.2.1.3 Anaphase − Elle commence lorsque les chromatides sœurs se disjoignent (on les appelle alors chromosomes-fils) car il y a eu dégradation des cohésines (protéines liant les centromères) − Une chromatide migre vers un pôle et l’autre chromatide vers l’autre pôle − Les chromosomes se regroupent aux pôles du fuseau en 2 amas symétriques ➝ tassement polaire début anaphase fin anaphase 15.1.2.1.4 Télophase − Reformation de l’enveloppe nucléaire ➝ réapparition du noyaux et du/des nucléoles − Reformation des organites (RE et l’appareil de Golgi) − Réapparition des organites − Les chromosomes se décondensent pour reformer des chromosomes interphasiques − Les microtubules du kinétochore disparaissent Page 127 of 148 2021-2022 LBIR1150 15.1.2.2 Cytocinèse Division cellulaire Définition : la cytocinèse est le processus qui sépare deux cellules-filles. Ce processus se produit très différemment chez les plantes, les animaux et les champignons. Cellule animale Cellule végétale Mycètes Un sillon de clivage se forme (= Constitution d’une plaque Un septum, perpendiculaire anneau de microfilaments cellulaire formée par la fusion à l’axe de l’hyphe se forme d’actine associée à de la myosine) de vésicules de transport depuis la paroi préexistante. et se dispose particulières de l’appareil de Le plasmalemme est perpendiculairement au fuseau. Il golgi ➝ les phragmosomes. continu d’une cellule à va étrangler progressivement la La plaque cellulaire va l’autre au travers du cellule mère jusqu’à ce que celle- s’étendre, atteindre la paroi de septum. ci se divise en 2. la cellule mère et former une lamelle mitoyenne. Le nouveau plasmalemme de chaque cellule-fille est formé par la membrane des phragmosomes. Un dépôt se forme de part et d’autre de la plaque cellulaire en croissance, c’est la paroi primaire. → centripète → centrifuge → centripète Page 128 of 148 2021-2022 LBIR1150 15.1.3 Evolution du contenu en ADN au cours de la mitose d’une cellule diploïde Graphe à savoir refaire en expliquant les différentes étapes /!\ Soit C la quantité d’ADN dans une cellule haploïde Graphe cellule diploïde : on démarre à 2C et on monte jusque 4C. Graphe cellule haploïde : on démarre à C et on monte à 2C. 15.1.4 Evolution du nombre de chromosomes d’une cellule diploïde (2n) /!\ Soit n le nombre de chromosomes dans une cellule haploïde Graphe cellule diploïde : on reste à 2n. Graphe cellule haploïde : on reste à n. 15.1.5 Résumé cycle cellulaire Page 129 of 148 2021-2022 LBIR1150 Page 130 of 148 2021-2022 LBIR1150 15.2 Le contrôle du cycle cellulaire La progression du cycle cellulaire s’effectue grâce à l’activation/désactivation cyclique de protéines impliquées dans les évènements majeurs du cycle cellulaire. La régulation du cycle cellulaire est vitale ➝ le cancer est une déficience du contrôle du cycle cellulaire ➝ proliférations cellulaire incontrôlées ➝ tumeur 15.3 La mort programmée des cellules La mort programmée des cellules ou l’apoptose = processus par lequel des cellules déclenchent leur autodestruction en réponse à un signal  Partie intégrante du développement : les cellules ne survivent que quand et où elles sont nécessaires. Par exemple pour séparer les doigts de la patte. Si ces cellules subsistaient, on aurait des doigts palmés. La division, la survie et la mort d’une cellule impliquent des signaux extracellulaires. En fonction de ceux-ci, les cellules mettent en route un programme de suicide qui sera suivi par une destruction généralisée des protéines et de l’ADN puis d’une endocytose et digestion de la cellule morte par des cellules macrophages. Au cours du cycle cellulaire, on trouve 3 points de contrôle qui vérifient que la cellule fille est totalement intègre, sans quoi elle sera réparée ou détruite. Page 131 of 148 2021-2022 LBIR1150 15.4 Chromosomes 15.4.1 Structure Les chromosomes homologues = exemplaires maternel et paternel d’un même chromosome - par exemple le chromosome 16. Les chromatides sœurs = 2 copies d’un même chromosome (maternel ou paternel) maintenues entre elles par les cohésines après la réplication de l’ADN. → Les 2 chromatides sœurs sont génétiquement identiques mais les chromosomes homologues sont distincts bien qu’ils codent pour le même locus34.  Lorsque la cellule n’a pas encore dupliqué son génome, chaque chromosome est composé d’une seule chromatide, qui comporte un étranglement au milieu appelé centromère et qui est occupé par le kinétochore du chromatide. Lorsque le génome a été multiplié, le nombre de chromatides composants les chromosomes double, ainsi chaque chromosomes possède alors 2 chromatides sœurs. Ces chromatides sont maintenues entre elle par le biais de cohésines au niveau du kinétochore. Chromosome mitotique : − 2 bâtonnets (chromatides) avec une zone d’étranglement = centromère − Cohésines = protéines permettant une interaction forte avec les chromatides sœurs35 − Kinétochore : permet l’interaction avec les microtubules 34 Pour un même locus, j’ai 2 allèles différents : 1 provenant du parent mâle et 1 provenant du parent femelle. Si les 2 allèles sont les mêmes -> homozygote pour ce locus. En revanche, si 2 allèles différents -> hétérozygote pur ce locus. 35 Pour rappel : les chromatides sœurs sont génétiquement identiques dans un chromosome double. Page 132 of 148 2021-2022 LBIR1150 − Les chromosomes sont transcriptionnellement inactifs car fort condensé. D’où le fait que la transcription se fasse lorsque l’ADN est encore sous forme de chromatine. 15.4.2 Caryotype Caryotype = tableau/catalogue de l’ensemble des chromosomes où chaque chromosome sera identifié. Pour une espèce donnée, le nombre, la taille et la forme des chromosomes mitotiques sont des constantes ➝ on peut doc établir un caryotype. Caryotype humain : − 22 paires d'autosomes36 (qui n'interviennent pas dans la détermination du sexe une paire de chromosomes sexuels) − 1 paire de chromosomes sexuels (XX : fille ; XY : garçon) − 2 chromatides par chromosomes chaque chromosome est associé à son homologue Le caryotype permet souvent de distinguer les espèces proches, morphologiquement très semblables ou détecter des anomalies chromosomiques chez des individus. 15.5 Degré de ploïdie Définition : la ploïdie est le nombre de jeux complets de chromosomes dans un organisme. On désigne par n le nombre de chromosomes d'un seul jeu complet. Une cellule est haploïde (n) si elle possède 1 jeu complet, soit n chromosomes. C’est le cas des cellules reproductrices (gamètes et spores). Une seule copie du génome. Elle est diploïde si elle possède 2 jeux, donc 2 n chromosomes, organisés en n paires de chromosomes, semblables mais pas identiques. Les chromosomes d’une telle paire sont dits chromosomes homologues. Elle est polyploïde si elle possède au moins 3 jeux : triploïde (3 n chromosomes), tétraploïde (4 n chromosomes), … * Semblable : même aspect au niveau de la taille, de la position des centromère (même si peut varier légèrement), de la succession des locus, … Pas identique : les locus portent des allèles différents l’un mâle l’autre femelle. L’information génétique entre 2 chromatides non-sœurs est différente. 36 On peut aussi parler de cellules somatiques (= pas des gamète) Page 133 of 148 2021-2022 LBIR1150 16 La reproduction : méiose, fécondation et les cycles de développement 16.1 Reproduction asexuée >< sexuée La reproduction est la capacité qu’ont les êtres vivants de donner naissance à de nouveau individus, génétiquement identiques ou semblables à eux même. 16.1.1 Asexuée Tous les individus issus de la reproduction asexuée sont génétiquement identiques puisque produits par mitoses et cytocinèses : ils constituent un clone. Chez les unicellulaires, l’organisme se divise en 2 nouveaux organismes tandis que chez les pluricellulaires, soit une cellule reproductrice est produite puis libérée dans le milieu où elles se développera en un organisme identique au parent (mitospore37 ou spores), soit l’organisme se fragmente en portions pluricellulaires, reconstituant des organismes complets. 16.1.2 Sexuée La reproduction sexuée implique deux parents et produit des individus génétiquement distincts. Le mélange des patrimoines génétiques des deux parents permet une grande diversité génétique. La reproduction sexuée implique une fécondation, donc un doublement du nombre de chromosomes. => Nécessité d’un système correctif qui réduit ce nombre de chromosomes. 16.2 Méiose Définition : suite de deux divisions d'un noyau diploïde (2n) en quatre noyaux haploïdes (n) possédant la moitié du nombre de chromosomes du noyau de départ. Ce processus et les cytocinèses qui suivent mènent à la formation de cellules germinales ou reproductrices, qu'on oppose aux cellules somatiques/non reproductrices du corps de l'individu. Une fois que la fécondation a eu lieu, un zygote, produit par l’union des gamètes parentales, est formé. Il est à noter que ce zygote est une cellule unique et n’est pas considérée comme un organisme en tant que tel par exemple lors des cycles (voir chapitre suivant). La méiose se caractérise par un seul cycle de réplication de l’ADN et deux divisions (cinèses). La méiose est précédée d'une interphase normale au cours de laquelle l'ADN a été répliqué. La méiose comprend 2 divisions (cinèses) successives : o La première division est réductionnelle : le nombre de chromosomes par noyau est réduit de moitié. Elle dure environ 90 % du temps total de la méiose. 37 Mitospores car produits par mitose Page 134 of 148 2021-2022 LBIR1150 o La seconde division est équationnelle : le nombre de chromosomes ne change plus. Elle ressemble à une mitose. → une cellule diploïde produira donc 4 cellules haploïdes Résumé : La cinèse I de la méiose est réductionnelle ➝ séparer les chromosomes homologues. On passe de 2n chromosomes doubles à n chromosomes doubles38. A. Précédée d’une interphase (réplication de l’ADN) B. Prophase I C. Métaphase I D. Anaphase I E. Télophase I La cinèse II de la méiose est équationnelle ➝ séparer les chromatides sœurs. On passe de n chromosomes doubles à n chromosomes simples. A. Prophase II B. Métaphase II C. Anaphase II D. Télophase II 38 Chromosomes doubles = à 2 chromatides Page 135 of 148 2021-2022