Résumé de Biologie - Chapitre 1 - Automne 2021 PDF

Biologie Chapitre 1 Automne 2021 BIOLOGIE – CHAPITRE 1 : INTRODUCTION A LA BIOLOGIE 1.1. DISCIPLINE SCIENTIFIQUE Les grands domaines de la biologie Différents niveaux caractérisant le fonctionnement des individus,...

Biologie Chapitre 1 Automne 2021 BIOLOGIE – CHAPITRE 1 : INTRODUCTION A LA BIOLOGIE 1.1. DISCIPLINE SCIENTIFIQUE Les grands domaines de la biologie Différents niveaux caractérisant le fonctionnement des individus, interdépendances et influences des niveaux sur le sujet d’intérêt : a. Individu – population – communauté – écosystème – biosphère (zoologie et écologie) b. Atome – molécule – cellule – tissu – organe – individu (biochimie, génétique, biologie cellulaire, neurosciences, physiologie, médecine, psychologie) Concepts fondamentaux de la biologie : 1. Cellule est l’unité de base du vivant 2. Structure et fonction sont étroitement associées a. Spécialisation permet de tirer profit d’un environnement spécifique mais pas d’un autre (complications) b. Minimum de fonctionnement puis spécialisation 3. Émergence de nouvelles propriétés avec la complexification du système (selon environnement, usages, etc) 4. Systèmes biologiques comprennent des mécanismes de rétroaction (feedback) a. Récepteurs → changements → adaptation ; maintien d’un équilibre (niveaux internes, comportementaux, environnementaux) 5. Information transmissible assure la continuité de la vie a. Sous forme d’ADN, de gènes et de chromosomes 6. Information transmise peut varier et mener à une évolution a. Distribution aléatoire des gènes d’un individu, puis transmission à génération suivante b. Phénotypes différents pouvant apparaître d’une génération à l’autre c. « Sélection » va être suffisamment diversifiée pour « couvrir » un plus grand nombre d’environnements possibles, puisqu’ils ne peuvent être devinés à l’avance 7. Influence de l’environnement sur le fonctionnement/performance des systèmes biologiques a. Température, humidité, contexte, et autres facteurs environnementaux La démarche scientifique Une théorie est une explication. La validité d’une théorie dépend de sa capacité à expliquer un phénomène. Les théories peuvent être soutenues, rejetées ou modifiées, en fonction d’informations nouvelles. Démarche scientifique = processus, pas un établissement de la vérité ; fournit des explications uniquement en fonction des informations obtenues 1 Biologie Chapitre 1 Automne 2021 1.2. THEORIE DE L’EVOLUTION L’origine des espèces « Survival of the fit enough » - Capacité naturelle à varier des espèces vivantes ; permet une sélection de caractères (pouvant être utilisée par les sélectionneurs) ; association avec la sélection naturelle - Fécondité des espèces élevée = capacité naturelle au surpeuplement ; succès de la croissance et reproduction dépend cependant de facteurs environnementaux, qui varient au cours du temps - Pas d’espèce dominante sur la planète - Évolution : processus de descendance des organismes modernes depuis des ancêtres anciens o Responsable de la diversité et des similarités des espèces vivantes o Hérédité des différences génétiques o Mécanismes : mutations, migration, dérive génétique, ainsi que variations génétiques (aléatoires), sélection naturelle (non aléatoires) - Sélection naturelle n’a pas de but et ne mène pas au progrès, seulement à l’adaptation L’évolution n’est pas un simple changement dans le temps mais une descendance avec modification (sur petit nombre d’années = arbre généalogique ; sur grand nombre d’années = production d’une diversité des formes de vie) Classification des espèces : Un arbre, pas une échelle ; proximité relative des espèces, qui ne sont pas à des niveaux d’avancement différents - Homologie = ancêtre commun avait la caractéristique maintenant partagée (ex, yeux des chauves-souris et oiseaux) - Analogie = ancêtre commun n’avait pas la caractéristique maintenant partagée (ex, ailes des chauves-souris et oiseaux) Évolution : Lois de l’hérédité, Mendel : [voir chapitre 6] Domestication : exemple de l’élevage de renards, expérience de sélection Moins de 10% des animaux les plus dociles de chaque génération sont utilisés comme parents de la génération suivante Elimination des jeunes exprimant les comportements d’agression ou d’évitement après 2-3 générations. Dès la 4e génération : Apparition de comportements comme le balancement de la queue, tel que le fait un chien face à un être humain. Changements évolutifs rapides : - Bases génétiques du comportement - Sélection spécifique pour un trait de caractère (ici, docilité ; réponse de stress diminuée, comportement reproducteur) mène à des changements physiologiques et morphologiques caractéristiques des animaux domestiques (oreilles pendantes, tâches sur le pelage, queue arrondie ; caractéristiques se retrouvent chez des espèces domestiquées aux origines différentes) Processus de domestication par la sélection de traits comportementaux définis par l’homme peut accélérer les variations de phénotype (possible de sélectionner des phénotypes pour les renforcer) Des mutations aléatoires du génome ne suffisent pas pour expliquer de telles variations. o Association entre les changements de phénotypes et la vitesse de développement. o Changement au niveau neuroendocrinien (fonctions hormonales). → Modification de la régulation de l’expression de gènes importants pour le développement. 2 Biologie Chapitre 1 Automne 2021 1.3. L’HISTOIRE DE LA VIE SUR TERRE Formation de la première cellule : Apparition de la vie sur Terre : -3,5 mia d’années Molécules de compartimentation : membranes cellulaires Molécules informatives : transfert de l’information Molécules catalytiques : facilitation des réactions chimiques Les trois domaines du vivant : Bactéries, eucaryotes (cellules possédant un noyau), archaebactéries LUCA, Last Universal Common Ancestor ; ancêtre commun à tous les êtres vivants Expérience de Stanley Miller, 1953 : Synthèse d’acides aminés à partir de molécules inorganiques (Eau, méthane, ammoniaque, hydrogène) ; plus de 20 acides aminés → 1ère étape pour un explication de la vie sur Terre Paléontologie : science des fossiles Époque précambrienne : 4 milliards → 600 millions d’années - Apparition de la vie : 3,5 milliards d’années - Diversification des unicellulaires : 1,5 → 1 milliard d’années - Symbiose et premiers eucaryotes : 1,5 → 1 milliard d’années - Apparition des organismes pluricellulaires : 650 millions d’années Ères géologiques Grandes étapes Ère primaire (-600 à - Premiers vertébrés, colonisation du milieu terrestre 220 millions d’années) - Reptiles, amphibiens, poissons Ère secondaire (-220 à Règne des reptiles, premiers primates -65 millions d’années) - Présence d’oiseaux, mammifères Ère tertiaire (-65 à -2 Diversification des mammifères et des oiseaux, montée millions d’années) des primates Ère quartenaire (-1,8 Mise en place des espèces actuelles millions à aujourd’hui) - Evolution humaine Origine de l’homme : Homo sapiens HOMME Autres exemples Domaine : Eucaryotes Procaryotes (archaea et bactéries) Règne : Animaux Champignons, plantes, protistes Embranchement : Chordés Arthropodes, nématodes Sous-embranchement : Vertébrés Céphalocordés, urocordés Super-classe : Tétrapodes Chondrichtyens, osteichtyens Classe : Mammifères Poissons, amphibiens, reptiles, oiseaux Ordre : Primates Insectivores, chiroptères, rongeurs, cétacés Famille : Hominidés Callitrichidés, lémuridés Genre : Homo Gorilla, pan Espèce : Homo sapiens Ergaster, erectus, neanderthalensis 3 Biologie Chapitre 1 Automne 2021 Vertébrés : deux catégories Anamniotes et amniotes (vertébrés tétrapodes dont l’embryon est entouré de l’amnios, membrane permettant de séparer l’environnement de développement de l’extérieur ; ex, mammifères, oiseaux, reptiles) Vertébrés : phylogénie du sous-embranchement des vertébrés Hominidés : phylogénie (15 millions d’années) - Différentes caractéristiques permettant d’établir le degré de parenté entre les espèces Le genre Homo : Homo sapiens (20'000 ans) : seul représentant actuel du genre Homo Homo rudolfensis et Home abilis (2,5 millions) : premiers représentants du genre Homo Sahelanthropus tchadensis (7 millions) : premier grand singe bipède Homo sapiens n’est pas un descendant de homo neanderthalensis 4 Biologie Chapitre 2 Automne 2021 BIOLOGIE – CHAPITRE 2 : CONSTITUANTS DE LA CELLULE 2.1. ATOMES ET MOLECULES Atome : Particule d’un élément chimique formant la plus petite quantité susceptible de se combiner Molécule : Ensemble électriquement neutre d’atomes unis les uns aux autres par liaison chimique Atomes Ancienne définition : Elément constitutif de la matière, indivisible et homogène Définition début 19ème siècle : particule d’un élément chimique qui forme la plus petite quantité susceptible de se combiner L’atome est formé d’un noyau (protons et neutrons, les nucléons) entouré d’électrons qui gravitent autour de lui. Protons : particules chargées positivement Électrons : particules chargées négativement Nombre de protons = nombre d’électrons → atome électriquement neutre (le nombre de neutrons peut parfois varier) Tableau périodique des éléments : Nombre atomique : le nombre de protons ou d’électrons détermine les propriétés physiques et chimiques Masse atomique : déterminée par le nombre de protons et neutrons constituant un atome (masse atomique relative = par rapport au 1/12 de la masse de C) Tableau simplifié : Les atomes ayant des orbitales non saturées ont la possibilité de se lier à d’autres atomes Si les orbitales sont saturées, impossibilité de se lier = ne peuvent se trouver sous forme de molécules : gaz rares (hélium, néon, argon) 1 Biologie Chapitre 2 Automne 2021 Molécules Liaison covalente : mise en commun d’électrons → Saturation de la dernière orbitale = molécule stable Exemples : Molécule H2 Molécule CH4 Molécule H2O Molécule CO2 Liaison ionique : échange d’électrons Liaison est due à l’attraction électrostatique entre deux ions de charges opposées Exemple : NaCl Ions Na+ et Cl- sont porteurs de charges opposées ; ils resteront liés pour former le chlorure de sodium (sel de table) Ion = atome ou molécule portant une charge électrique Liaison hydrogène (pont hydrogène) : formation d’un dipôle électrique Liaison n’est possible que s’il reste des électrons libres sur l’orbite périphérique de l’atome lié à l’hydrogène La distribution électrique inégale va causer une organisation des molécules en fonction des charges (ici : molécules d’eau) Une telle liaison serait par exemple impossible pour des molécules de méthane CH4, car elles n’ont pas d’électrons libres 2 Biologie Chapitre 2 Automne 2021 Molécules : eau Agitation thermique : mouvement des molécules en fonction de la température En-dessus de 0 C°, les liaisons hydrogènes se font et se défont A ≤ 0 degré, l’agitation thermique est insuffisante pour déstabiliser les liaisons hydrogène. Les molécules s’organisent selon une structure où les atomes d’oxygène se retrouvent au sommet d’un tétraèdre → formation d’une masse solide : la glace. Dissolution du sel (NaCl) dans l’eau : l’agitation va créer de nouvelles associations Un cristal de sel se trouve dans de l’eau : à cause de leurs charges opposées, les molécules d’eau et les ions du sel s’attirent mutuellement, ce qui cause la désorganisation du cristal et la dissolution du sel Substances hydrophiles : molécules polaires : possibilité de liaison hydrogène avec les molécules d’eau (ex : éthanol, glucose) Substances hydrophobes : molécules apolaires : pas de possibilité de liaison avec les molécules d’eau (ex : méthane, acide gras) Molécules : carbone Le carbone peut se lier de manière covalente avec tous les autres atomes, y compris d’autres atomes de carbone Selon ses liaisons avec d’autres atomes, le carbone (ou un squelette carboné) pourra donner différentes fonctions chimiques R = squelette carboné (exemple →) Exemples : Benzène (molécule hydrophobe) Glycine (molécule hydrophile) Acide gras (région hydrophobe, bleu – région hydrophile, rouge) 3 Biologie Chapitre 2 Automne 2021 2.2. MOLECULES ORGANIQUES Molécule organique : molécule présentant au moins un atome de carbone associé à un hydrogène (ou un autre carbone) par liaison covalente Monomères = une seule unité (ex : fructose, ribose, testostérone) Polymères = plusieurs monomères (ex : glycogène, protéine) Glucides : - Sucres (réserve énergétique, structure des acides nucléiques) - Hydrates de carbone (CH2O)n Lipides : - Glycérides (réserve énergétique) - Cholestérol (membranes cellulaires, précurseurs des hormones stéroïdes) - Phospholipides (membranes cellulaires) Protéines : - Polymères d’acides aminés (structures cellulaires, enzymes) Acides nucléiques : - ADN : acide désoxyribonucléique - ARN : acide ribonucléique Les glucides Oses : monomères de glucides - Hexoses ; D-galactose et D-glucose (où position d’un OH détermine le type) - Pentoses ; ribose et 2-deoxyribose (molécules de sucre constituantes de l’ARN et ADN) - Isomères : formule brute identique mais formule semi-développée différente → propriétés physiques, chimiques et biologiques différentes Osides : sucres formés de 2 à 15 molécules d’oses par des liaisons R-O-R’ Polysaccharides : polymères de glucides 4 Biologie Chapitre 2 Automne 2021 Les lipides Insolubles dans l’eau H2O, mais solubles dans le benzène C6H6 Lipides simples : constitués de C, H et O Acides gras : Types d’acides gras (suivant Types d’acides gras insaturés o Saturés (liaisons simples entre le nombre de doubles (suivant la structure des carbones) liaisons) doubles liaisons) o Insaturés (doubles liaisons entre carbones) Glycérides : toujours une molécule de glycérol, avec une variation de leur composition en acide gras o Monoglycéride (un acide gras), diglycéride (deux acides gras), triglycéride (trois acides gras) Exemple d’acides gras polyinsaturés : omega-3 et omega-6 - Essentiels, mais doivent être apportés par l’alimentation car l’organisme ne peut pas les synthétiser - Considérés comme ayant un effet positif sur la santé (cancer, processus inflammatoires, système cardiovasculaire) - Composants de la membrane cellulaire, croissance des processus neuronaux - Omega-3 ou 6 selon le carbone sur lequel se trouve la première double-liaison (3ème ou 6ème) Stérides : cholestérol et dérivés Cholestérol : - Composant des membranes : régulateur de la fluidité Testostérone, oestradiol, cortisol : - Hormones stéroïdes : régulation de multiples fonctions de l’organisme (masse musculaire, comportement sexuel, stress) Lipides complexes : constitués de C, H, O, et N, P Phospholipides : molécules amphiphiles (hydrophiles et hydrophobes) 5 Biologie Chapitre 2 Automne 2021 Bicouche lipidique et membrane plasmique : Propriétés des membranes à base de phospholipides : - Formation de liposomes en présence d’eau : barrière entre compartiment intérieur et extérieur - Peuvent se réparer spontanément et permettre la fermeture d’une membrane abîmée - Sont fluides et permettent le mouvement des autres constituants de la membrane (rôle important du cholestérol dans la fluidité) - Peuvent s’agrandir par adjonction de nouvelles molécules (pendant croissance moléculaire) - Protéines vont s’ancrer dans et sur la bicouche pour former la membrane biologique des cellules (aussi des sucres) → membrane compartimente l’espace intérieur - Peuvent donner naissance à deux sphères par resserrement pour la division cellulaire ou la formation de vésicules Les protéines : polymères d’acides aminés Acides aminés : - Unités de base des protéines - 20 acides aminés - Composés de : 1 fonction amine (-NH2), 1 fonction acide (-COOH), 1 radical (-R) Liaison peptidique : - Liaison covalente entre l’atome de carbone (C) du groupe carboxylique et l’atome d’azote (N) du groupe amine - Formation d’une liaison peptidique s’accompagne de la perte d’une molécule d’eau Structures d’une protéine : - Groupes « hème » (contenant des atomes de fer) de la molécule d’hémoglobine fixent l’oxygène et contribuent à son transport dans le sang - Affinité x40 pour le CO2, dont la liaison à l’hémoglobine peut entraîner une asphyxie mortelle 6 Biologie Chapitre 2 Automne 2021 Protéines membranaires : Protéine formée de plusieurs sous-unités (α, β, γ, δ) insérée dans la membrane et permettant le passage sélectif de certains ions (K+, Na+, Ca2+) suite à l’attachement d’une molécule de neurotransmetteur, qui va entraîner un changement de conformation de la protéine et l’ouverture d’un canal Les acides nucléiques : polymère de nucléotides Nucléotide = nucléoside + phosphate (monophosphate, diphosphate, triphosphate) Bases azotées : - Purines : adénine, guanine - Pyrimidines : cytosine, uracile, thymine ADN (acide désoxyribonucléique) : bases A-T-C-G // ARN (acide ribonucléique) : bases A-U-C-G ➔ Stockage et transfert de l’information génétique et de l’énergie (au niveau cellulaire) Molécules d’ADN :  Bases azotées Nucléoside : base azotée + désoxyribose (= adénosine, thymidine, cytidine, guanosine) Double hélice d’ADN : A=T C≡G Molécules d’ARN :  Bases azotées Nucléoside : base azotée + ribose (= adénosine, uridine, cytidine, guanosine) Molécule d’ARN : [Voir cours 2.2, diapo 12 pour schéma résumé ARN-ADN] ATP : adénosine triphosphate Énergie fournie par les aliments → formation d’adénosine triphosphate Énergie fournie par transformation d’adénosine tri-P en adénosine di-P → utilisation pour fonctionnement cellulaire 7 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 BIOLOGIE – CHAPITRE 3 : ORGANISATION DES CELLULES Organisation générale des cellules Les cellules : - Possèdent une membrane cellulaire, constituée d’une bicouche lipidique → séparation avec ext. - Possèdent de l’ADN qui sert de support à la transmission des informations pour leur fonctionnement et le passage d’une génération à l’autre - Ont besoin d’une source d’énergie et sont capables de la stocker sous forme d’adénosine tri-P (ATP) - Peuvent réguler le flux de nutriments nécessaires à leur métabolisme - Peuvent se reproduire ; sont le produit d’une reproduction - Possèdent des « capteurs » qui leur permettent de s’adapter au changement de leur environnement Cellules procaryotes Cellules eucaryotes - Pas de noyau - Ont un noyau - Taille entre 1 et 10 μm - Taille entre 10 et 100 μm - Toujours sous forme unicellulaire - État unicellulaire ou multicellulaire Les cellules procaryotes (bactéries et archaebactéries) représentent plus de la moitié de la biomasse de la Terre 3.1. CELLULE PROCARYOTE Caractères communs à toutes les bactéries Structures obligatoires Structures facultatives Membrane plasmique : délimitation Plasmide : petits fragments de la cellule (riche en protéines pour la circulaires d’ADN capables de régulation des échanges) s’auto-répliquer (fournissent des infos génétiques supplémentaires) Nucléoïde : longue molécule d’ADN Paroi : épaisseur et composition enroulée sur elle-même (baigne dans variables le milieu intra-cellulaire) Ribosomes : organites nécessaires à Cils ou flagelles : contribuent à la la synthèse de protéines mobilité de la bactérie Hyaloplasme : milieu intra-cellulaire Cellules procaryotes commensale Flore bactérienne commensale : Ces bactéries sont présentes chez les sujets sains et participent activement au maintien de la santé Flore cutanée (102 à 106/cm2 selon endroits) o Flore résidente, peu pathogène o Flore transitoire, potentiellement plus pathogène (mains en particulier) Flore de l’arbre respiratoire (108/ml de sécrétion pharyngée) o Très variable au niveau du rhinopharynx o Minime au niveau de la trachée, activement combattue par le mucus, cils, macrophages, etc o L’arbre respiratoire (poumons) est stérile Flore génitale o Femme : bactéries entretiennent un pH bas par leur sécrétion lactique, ce qui limite la flore commensale potentiellement pathogène Flore intestinale (108/ml de salive) o Est la plus abondante et importante ; varie en fonction des différents étages du tube digestif o Synthétise la vitamine K et aide à l’absorption des aliments o Prévient la prolifération de bactéries commensales potentiellement dangereuses o Limite la colonisation par des bactéries pathogènes 1 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 Bactéries lactiques : Emploi dans la fermentation lactique des produits laitiers (cinq genres communément employés : baifidobacterium, lactobacilius, lactococcus, leuconostoc, streptococcus) - Le rôle principal des bactéries lactiques est la production d’acide lactique qui influence la texture, le goût et la qualité microbiologique du yaourt ou fromage. - La production d’acide facilite la coagulation des protéines. - L’abaissement du pH limite aussi la croissance des bactéries indésirables. Cellules procaryotes pathogènes Escherichia coli : - Bactérie vivant dans l’intestin humain et animal ; la plupart de ses types sont sans danger mais certains peuvent rendre malade o Ex : escherichia coli O157:H7 cause des diarrhées avec saignement pouvant entraîner une insuffisance rénale voire la mort ; produit une toxine (shiga) - Infection par escherichia coli produit d’autres substances toxiques pouvant détruire les globules rouges et nécessiter des dialyses et transfusions sanguines Helicobacter pylori : - Peut causer des ulcères de l’estomac (maladie infectieuse) o Infection de l’antrum (estomac) → inflammation des muqueuses gastriques → ulcère (peut mener à des complications comme le saignement ou la perforation de l’ulcère) Staphylococcus aureus : - Responsable (avec e. coli) au premier rang d’infections nosocomiales ; 2ème rang des intoxications alimentaire (France, après salmonelles) - Peut être à l’origine d’infections suppuratives (production de pus) ou avec production de toxines ; difficiles à combattre car aujourd’hui multirésistantes aux antibiotiques - Se retrouve chez environ 30% des sujets sains (asymptomatiques) → infection survenant à l’hôpital quand diminution des défenses immunitaires ; isolement et respect des mesures d’hygiène pour limiter la dissémination à l’hôpital - Staphylocoque doré : souche de staphylocoque la plus fréquente en pathologie (humaine et vétérinaire) Autres : - Neisseria gonorrhoeae, causant la gonorrhée - Treponema pallidum, causant la syphilis - Chlamydia sp., causant la chlamydia 2 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 Antibiotiques Découverte de la pénicilline : - Observation du prof. A. Fleming a permis la découverte du premier antibiotique : 1982, expériences sur les bactéries du genre staphylococcus - Blocage de la croissance d’une culture de s. aureus par une colonie de moisissure de type penicillium o Contamination d’une des cultures par une tâche de moisissure ; colonies de bactéries mortes - Substance active isolée et identifiée = la pénicilline Les pénicillines : - Tous les dérivés de la pénicilline produisent leurs effets bactéricides en inhibant la synthèse de la paroi cellulaire. - Spécifiquement, en inhibant l’enzyme synthétisant les peptidoglycanes de la paroi bactérienne. - Si la paroi de la cellule n’est pas formée correctement, des molécules d’eau peuvent pénétrer dans la cellule et la faire exploser. Différents modes d’action : 1) Inhibition de la synthèse de la paroi bactérienne 2) Inhibition de la synthèse de la membrane plasmique 3) Inhibition de la synthèse protéique 4) Inhibition de la synthèse de l’ADN 5) Autres mécanismes Résistance aux antibiotiques : Développement de mécanismes de résistances suite à une utilisation répétée d’antibiotiques ; problème majeur car antibiotiques deviennent inefficaces contre leur cible d’origine (résistance augmentée = allongement voire impossibilité de traitement) A) Bactéries peuvent modifier ou détruire l’antibiotique avec un gène de résistance extra-chromosomique (plasmide) a. Principalement contre antimicrobiens naturels (comme pénicilline), présents dans l’environnement depuis des millions d’années (ex : expression d’enzymes β-lactamases bactériennes hydrolysant les antibiotiques à noyau β-lactame) B) Bactéries peuvent utiliser des pompes d’efflux pour expulser activement les antibiotiques à l’extérieur a. Prévient l’accumulation de concentrations thérapeutiques d’antimicrobiens dans le cytoplasme ; pompes peuvent être acquises par un plasmide ou transposon, mais font souvent partie de physiologie bactérienne C) Bactéries peuvent subir une mutation chromosomique entraînant une altération de la cible a. Mutation chromosomique des bactéries entraînant une altération de la cible → devient insensible à la drogue tout en conservant activité biologique ; espèces naturellement transformables (comme strep. pneumoniae) acquièrent facilement matériel génétique depuis environnement, par emprunt d’une nouvelle enzyme insensible à la pénicilline Sélection d’une souche résistante : quand une bactérie obtient un phénotype de résistance (rouge) → compétition avec bactéries non-résistantes (vert) 1) Bactérie résistante ne domine pas la population bactérienne 2) Présence d’antibiotiques : inhibition de la croissance des bactéries sensibles, possibilité de colonisation par bactéries résistantes 3) Conditions propices à prolifération et domination des bactéries résistantes 4) Suppression de l’antibiotique : bactérie résistante peut se maintenir dans environnement si coût de fitness pas trop élevé ou acquisition de mutations compensatoires ; cependant possible que la population de bactéries résistantes disparaisse → retour à équilibre initial 1) 3 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 3.2. CELLULE EUCARYOTE ANIMALE Caractéristiques : - Entourée d’une membrane plasmique délimitant la cellule et l’extérieur (compartimentation) - Noyau : entouré de l’enveloppe nucléaire, est rempli d’un nucléoplasme et contient différentes structures - Cytoplasme : reste de la cellule, où l’on retrouve des organites (fonctions spécialisées) formant un réseau de membranes dans le cytosol (hyaloplasme) - Mitochondries : organites fournisseurs d’énergie se trouvant dans le cytoplasme ; peroxysomes interviennent dans la détoxification - Cytosquelette de la cellule : formé d’un réseau de tubules et de filaments Membrane plasmique : régulation des échanges Barrière séparant l’intérieur et l’extérieur de la cellule - Perméable uniquement aux petites molécules hydrophobes - Transport d’autres ions ou molécules nécessite des protéines au sein de la membrane Protéines à la surface de la membrane : interactions intercellulaires, reconnaissance de certaines cellules par d’autres Protéines transmembranaires : passage de certaines molécules à travers des canaux sélectifs Noyau : - Plus grand organite des cellules eucaryotes - Centre de contrôle de la cellule (5-20 μm) - Structure non permanente qui disparaît lors - Contient le matériel génétique de la division cellulaire Enveloppe nucléaire : deux membranes biologiques séparées de 20-50 nm Chromatine dense = hétérochromatine ; pas de transcription Nucléoplasme : milieu intracellulaire Nucléole : siège de la synthèse et de l’assemblage des ARN ribosomaux Pore nucléaire : permet le passage de molécules (ex, ARN) Chromatine diffuse = euchromatine : activité transcriptionnelle [ADN : organisation et chromosomes, voir chapitre 4] 4 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 Cytoplasme et organites intracellulaires : Synthèse des protéines dans le cytoplasme de la cellule Protéines sont synthétisées par les ribosomes (libres ou liés au réticulum endoplasmique) Continuité des organites cellulaires : Réticulum endoplasmique → appareil de Golgi → granules de sécrétions Voies de circulation des protéines dans une cellule eucaryote : Cytosol : cytoplasme + organites Noyau : matériel génétique Mitochondries : production d’énergie Peroxysomes : réactions oxydatives Réticulum endoplasmique : synthèse protéique Golgi : adressage, maturation Lysosomes : recyclage, dégradation Endosomes : internalisation Vésicules de sécrétion : libération Réticulum endoplasmique : lieu de synthèse et d’emballage des protéines Ribosomes : complexes macromoléculaires constitués de protéines et d’ARN dans lesquels les protéines sont synthétisées Réticulum endoplasmique rugueux : lieu de synthèse des protéines destinées à la membrane ou à la sécrétion Réticulum endoplasmique lisse : lieu de synthèse des lipides membranaires et dégradation des toxines Protéine synthétisée par le ribosome et libérée dans le réticulum endoplasmique : 1) Synthèse protéique commence dans le cytosol 2) Séquence signal provoque l’attachement du ribosome au réticulum endoplasmique 3) Structure complexe permet le passage de la protéine à travers la bicouche lipidique 4) Enzyme couple la protéine après la séquence signal → libération dans le RE Protéine synthétisée par le ribosome et insérée dans la bicouche lipidique : 1) Étapes similaires 2) Séquence d’arrêt de transfert (hydrophobe) s’insère dans la bicouche ; reste de la protéine reste du côté cytosolique 5 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 Appareil de Golgi : Tri et maturation des protéines ; transport par voie vésiculaire Noir/bleu : protéines membranaires ou sécrétées qui empruntent la voie constitutive (sans signal particulier) Rouge : protéine sécrétée, voie contrôlée (dépend d’un signal extérieur) Vert : protéines du lysosome Jaune : protéines résidentes du RE Mitochondrie : centrale énergétique de la cellule - En forme de graine ou de filament ; crêtes sont les replis de la membrane interne - Est un organite semi-autonome : contient de l’ADN, ARN et ribosomes pour synthèse protéique - Dysfonctionnement des mitochondries à l’origine de certaines maladies neuro-dégénératives Fonctions : - Respiration cellulaire : synthèse d’ATP et production de NADH - Production de chaleur - Turnover de monoamines (nouveau-né) (neurotransmetteurs) - Synthèse de stéroïdes - Séquestration de Ca2+ hormonaux - Participation à la mort cellulaire programmée Cytosquelette : Formé de protéines de différentes tailles (actine, tubuline, filament intermédiaire) ; différentes tailles et différentes fonctions Anomalies du cytosquelette mènent à maladies (associés à troubles cognitifs) Fonctions : - Structure - Mobilité et motilité cellulaire - Transport intracellulaire - Division cellulaire 6 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 3.3. VIRUS Parasites intracellulaires obligatoires : ne peuvent se reproduire seuls Structure de base d’un virus : Exemple d’un virus à ADN bactériophage (étudiés pour palier à biorésistance) : Cycle viral : 1) Reconnaissance de la cellule (par glycoprotéine de l’enveloppe externe) et fixation du virus 2) Pénétration de la cellule et injection de l’ADN ou ARN 3) Activation du génome viral 4) Réplication de l’ADN viral 5) Synthèse des protéines virales 6) Synthèse de nouveaux virus 7) Libération des virus : lyse cellulaire, bourgeonnement de la membrane plasmique Pathologies virales Principe de la vaccination : But d’un vaccin est d’induire la production d’une réponse immunitaire : - Réponse humorale (lymphocytes B, production d’anticorps neutralisant l’agent pathogène) - Réponse cellulaire (lymphocytes T cytotoxiques, destruction des cellules infectées) - → Vaccin est spécifique à une maladie Types de vaccins : Le plus souvent, administration par injection ; possible par voie orale (poliomyélite, traitement des renards contre la rage) ou par spray nasal (en développement) Vaccins issus d’agents infectieux inactivés Vaccins issus d’agents vivants atténués (source modifiée, moins virulente d’un virus) Vaccins synthétiques (ARNm ou protéine : ciblage de molécules en surface du virus) COVID-19 / SARS-Cov-2 Caractéristiques : - Pneumonie (infection ou inflammation des poumons) ; maladie infectieuse de la famille des coronavirus - Durée d’incubation en moyenne de 5 jours, extrêmes de 2 à 12 jours - Infection asymptomatique ou paucisymptomatique chez 30 à 60% des sujets infectés Vaccin à ARNm : contient une portion du code génétique nécessaire à fabriquer une ou plusieurs protéines du virus Infection naturelle : voir cycle viral Vaccination par ARNm viral : - Fabrication en laboratoire d’ARNm codant pour protéine Spike ; insertion dans de petites bulles de graisse - Bulles injectées, puis absorbées par les cellules musculaires humaines ; libération des ARNm - Cellule lit l’ARNm et fabrique des protéines Spike ; leur rejet dans l’organisme va alerter le système immunitaire → production d’anticorps contre cette protéine - Plus tard, si le virus entre dans le corps, reconnaissance et neutralisation par le système immunitaire 7 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 Herpes simplex : - Infection produit une maladie récurrente (persistant toute la vie) ; pas de traitement o Traitement avec médicaments antiviraux permet de diminuer les symptômes mais n’élimine pas le virus - Prédicteur du risque d’infection : nombre de partenaires sexuels - 2/3 de la population de moins de 50 ans est porteuse ; asymptomatiques voire même l’ignorent - Premier épisode : infection des muqueuses cutanées, établissement d’une période de latence (virus reste dans les ganglions de la racine dorsale de la moelle épinière) o Lésions primaires entre 2 et 6 semaines ; épisodes récurrents environ 1 semaine o Récurrence typique de 4 épisodes par année - Infections par libération ; transmission du virus même si asymptomatique o Présence d’ulcères génitaux augmente risque de MST Herpes zoster : Varicelle : - Maladie contagieuse causant une irritation de la peau avec formation de pustules, démangeaisons, fatigue, fièvre - Transmission par voie aérienne ou contact direct avec les pustules - Généralement bénigne, mais complications possibles chez nouveau-nés, personnes âgées, ayant un déficit immunitaire - Vaccin comme meilleur moyen d’éviter la maladie Zona : - Irritation la peau avec formation de pustules causée par la réactivation du virus de la varicelle o Reste inactif dans les ganglions sensoriels de la moelle épinière → zona = réactivation o Raisons de la réactivation peu claires ; n’arrive généralement qu’une fois - Facteurs de risques : 60+ ans, varicelle avant 1 an d’âge, système immunitaire diminué Virus de la grippe (influenza) : - Maladie infectieuse causée par des virus respiratoires (famille des orthomyxoviridae, qui s’attaquent surtout aux voies respiratoires supérieures) - Symptômes 1-4 jours après contamination ; sujet contagieux entre -1 et 7 jours - Infection dure environ une semaine ; forte fièvre, douleurs musculaires, maux de tête, sensation de malaise, toux sèche, gorge irritée, rhinite - Guérison en 1-2 semaines sans traitement ; risques sérieux pour sujets jeunes, personnes âgées, souffrant de certaines pathologies, où risque de complications, voire mort - Virus grippaux facilement transmissibles : évolution rapide du génome ; potentielle émergence d’épidémies - Contamination : contact avec surface contaminée puis contact à proximité du nez Rétrovirus : VIH - Virus de l’immunodéficience humaine : cible les lymphocytes T o Long terme : affaiblissement du système immunitaire, développement de graves maladies « opportunistes » - Transmission par voie sexuelle, sanguine, de mère à enfant - Personne infectée peut d’abord rester asymptomatique ou développer des symptômes de primo- infection (similaire à grippe) - Sans traitement → SIDA (syndrome de l’immunodéficience acquise) - Pas de traitements pour éliminer le VIH ; mais possible de bloquer la multiplication dans l’organisme → système immunitaire reste opérationnel (traitement par combinaison de multiples molécules antirétrovirales) 8 Biologie Chapitre 3 Automne 2021 Hépatite B : - Une des principales maladies humaines : 2 milliards d’infectés - Porteurs chroniques exposés à risque élevé de décès par cirrhose ou cancer du foie - Transmission par liquides et sécrétions biologiques (contact sexuel et sanguin, mère à enfant les plus fréquents) ; extrêmement contagieux - Souvent asymptomatique ou symptômes similaires à grippe (1/3 : symptômes d’une inflammation du foie) - Période d’incubation : entre 45 et 180 jours, moyenne entre 60 et 90 jours - Vaccination comme principale mesure fiable de protection 9  Biologie Chapitre 4 Automne 2021 BIOLOGIE – CHAPITRE 4 : FONCTIONNEMENT DE LA CELLULE Fonctionnement de la cellule eucaryote Propriétés fondamentales des molécules organiques : - Stockage de l’information - Maintien des fonctions complexes nécessaires à la vie - Capacité de se reproduire en autorisant une certaine variabilité (→ évolution) - Production d’énergie nécessaire au maintien de l’intégrité 4.1. ADN, ARN ET PROTEINES ADN ---[Transcription]---> ARNm ---[Traduction]---> Protéine Code génétique : ADN - Séquences les plus étudiées du génome humain = gènes codant pour les protéines ; ne représentent que 1,5- 2% du génome - Partie du génome ne codant pas pour les protéines : rôle dans le fonctionnement normal et les processus pathologiques o Rôle fonctionnel évident pour molécules non- codantes microRNAs (régulation du niveau d’expression d’autres gènes) Human Genome Project : 20’000-25'000 gènes codant pour des protéines (dont 20'741 identifiées) ARN, acide ribonucléique Différents types d’ARN (ARNm, ARNr, ARNt, ARNsi, ARNmi, …), chacun possédant une structure ou fonction particulière : - ARNm : ARN messagers, copie d’un gène servant de matrice pour synthèse des protéines - ARNr : ARN ribosomiques, font partie de composition des ribosomes (avec protéines ribosomiques) - ARNt : ARN de transfert, portent des acides aminés et permettent leur incorporation dans les protéines - ARNi : ARN interférants (si, mi), régulation de l’expression des gènes par ciblage de la dégradation de ARNm ou par inhibition de la traduction des protéines ARNm : copie d’un gène pouvant sortir du noyau et destinée à être lue par les ribosomes pour permettre la synthèse d’une protéine 1 Biologie Chapitre 4 Automne 2021 Transcription de l’ARN à partir d’ADN : procaryotes ARN polymérase : enzyme permettant la synthèse d’ARN Enzyme : molécule protéique facilitant une réaction biochimique L’opéron lactose d’Escherichia coli – Absence de lactose Promoteur : séquence spécifique en amont du gène qui est reconnue par la polymérase Répresseur : protéine bloquant le site de liaison de la polymérase sur le promoteur β-galactosidase : enzyme permettant la dégradation du lactose (en glucose et galactose) Si absence de lactose, pas nécessaire de synthétiser une enzyme pour sa dégradation → synthèse du répresseur (qui se lie au promoteur) → répresseur empêche la transcription d’ARNm pour synthèse de protéine constituant l’enzyme de dégradation du lactose L’opéron lactose d’Escherichia coli – Présence de lactose L’ARN polymérase peut se lier au promoteur et transcrire les gènes Le lactose se lie au répresseur et en modifie la forme, ce qui l’empêche de se fixer sur le promoteur du gène Répresseur : pas de liaison à l’ADN → ne bloquera pas la transcription Un taux faible de glucose entraîne la synthèse d’AMPc L’AMPc se lie à la protéine CAP La liaison de CAP-AMPc au promoteur augmente l’activité de l’ARN polymérase (= ↗ expression du gène codant pour enzyme de dégradation du lactose) ➔ Un taux de glucose faible accélère la synthèse d’ARN 2 Biologie Chapitre 4 Automne 2021 Transcription de l’ADN en ARN : eucaryotes Chaque cellule humaine contient l’ensemble des gènes du génome : - Expression différentielle des gènes dans différents types de cellules (variation du niveau d’expression des gènes) - Systèmes de régulation sophistiqués pour assurer l’expression des bons gènes dans les bonnes cellules (ex : formation de cellules musculaires, neuronales, épiderme, etc) Direction des acides nucléiques : ADN : ARN : Trois types de polymérase : - ARN polymérase I : transcription des ARN ribosomiques - ARN polymérase II : transcription des ARN messagers - ARN polymérase III : transcription des ARN de transfert et des petits ARN (A → A ; T → U ; C → C ; G → G) Transcription des ARNm : Début de transcription : ajout d’une coiffe (GMP méthylé) à l’extrémité 5’ de la molécule d’ARNm → liaison avec le ribosome Fin de transcription : ajout d’une queue polyA à l’extrémité 3’ de la molécule d’ARNm → stabilité de l’ARNm Après la transcription : opération d’épissage consistant en l’élimination de régions non- codantes de l’ARNm (introns) Suite à l’épissage : régions codant pour les protéines (exons) subsistent, entourées par la coiffe et la queue polyA 3 Biologie Chapitre 4 Automne 2021 Transcription de l’ADN en ARN (eucaryotes) : Fixation indirecte de la polymérase II sur l’ADN par l’intermédiaire d’un complexe de pré-initiation. Les facteurs nécessaires à la formation de ce complexe sont appelés facteurs de transcription. Des repliements de la molécule d’ADN permettent de mettre en contact les facteurs de transcription avec la région promotrice appelée également promoteur du gène. Les facteurs de transcription peuvent exercer des effets activateurs ou inhibiteurs. Exemple de facteur de transcription : hormones stéroïdes Effets activateurs et inhibiteurs : régulent la transcription ADN → ARN (→ expression de certains gènes dans les cellules) Régulation de l’activité post-transcriptionnelle : épissage alternatif Le transcrit primaire du gène de la protéine basique (ici : myéline) contient 7 exons (couleur) et 8 introns (bleu). Exons 1-7 ne sont pas systématiquement conservés → épissage différentiel permet la formation de 4 protéines différentes (= plusieurs protéines différentes à partir du même modèle) Régulation de l’activité post-transcriptionnelle : contrôle de la stabilité de l’ARN Certains complexes moléculaires vont permettre une stabilisation des molécules d’ARNm et leur traduction en protéines ; d’autres complexes se lient à l’ARNm et entraînent sa dégradation (donc une impossibilité de traduction en protéine) → mécanismes post- transcriptionnels contribuent au niveau de production de protéines 4  Biologie Chapitre 4 Automne 2021 Transcription de l’ARN en protéine Code génétique : Codon : séquence de 3 nucléotides d’un ARNm permettant le codage d’un acide aminé AUG : codon d’initiation de la traduction UAA, UAG, UGA : codon de terminaison (ne correspondent à aucun aa) Mutations et maladies génétiques : exemple avec séquence de l’ARNm codant pour l’hémoglobine Impacts de changements dans la séquence GAG → GAA GAG → GUG UUU AGU → UUU UAG Glutamate → Glutamate Glutamate → Valine Phe – Ser → Phe – Stop Pas de changement de la protéine Drépanocytose (anémie falciforme) Protéine tronquée ARNt : ARN de transfert – adaptateur moléculaire ARNt permet correspondance entre séquence ARNm et aa (= traducteur) Anticodon (spécifique à un aa) permet à ARNt de reconnaître la place que doit occuper l’acide aminé dans le polypeptide Ribosome : fabrique de protéines (complexe moléculaire) - Alignement des molécules d’ARNm - Facilitation de la fixation des ARNt - Assure la lecture de l’ARNm codon par codon - Catalyse les réactions biochimiques nécessaires à la formation de la chaîne peptidique (= entre aa) 5  Biologie Chapitre 4 Automne 2021 Étapes de la traduction : 1) Fixation de l’ARNt sur le codon AUG (start) ; association 2) Nouvel ARNt s’installe des 2 sous-unités du ribosome 3) Formation d’une liaison peptidique 4) Départ du premier ARNt ; ribosome avance sur l’ARNm, arrivée d’un 3ème ARNt 5) Arrivée du ribosome au niveau d’un codon stop 6) 2 sous-unités du ribosome se séparent (UAA, UAG, UGA) Réactions provoquées par des changements de conformation des protéines ribosomales ; requièrent de l’énergie Modifications post-traductionnelles : leur impact sur la structure et fonction des protéines - Clivage des protéines par des protéases (enzymes) : précurseur → forme active - Ajout de groupements phosphate par des kinases → phosphoprotéines ↴ - Elimination de groupements phosphate par des phosphatases → régulation de la fonction - Ajout de groupements glucidiques → glycoprotéines (ex : protéines de surface) miRNAs : ARN interférents (ARNi) - Dégradation des molécules d’ARMm - Blocage de la traduction de l’ARNm en protéines - Régulation du niveau d’expression des protéines par l’étape de traduction (= après synthèse) Sous forme de traitement, par le blocage ou non de certains processus 6 Biologie Chapitre 4 Automne 2021 4.2. DIVISION CELLULAIRE Différentes phases du cycle cellulaire : Pour qu’une cellule mère puisse donner deux cellules filles, doit dupliquer son génome (matériel génétique) G1 : gap 1 (intervalle 1) ↘ S : synthèse (d’ADN) → Interphase (noyau visible) G2 : gap 2 (intervalle 2) ↗ M : mitose Durée du cycle varie d’un type cellulaire à un autre Réplication de l’ADN : synthèse semi-conservative L’ADN polymérase n’est capable d’apparier les nucléotides que dans la direction 5’ → 3’ Synthèse continue et discontinue ; brin est formé à plusieurs endroits à la fois (œil de réplication) Association d’un brin nouveau avec un brin ancien Mitose Interphase Prophase : - Condensation de la chromatine (ADN + histones) - Individualisation des chromosomes - 2 chromatides sœurs reliées par le centromère - Désagrégation de l’enveloppe nucléaire - Mise en place du fuseau mitotique Métaphase : - Chromosomes distribués sur la plaque équatoriale - Attachement aux microtubules par les centromères Anaphase : - Séparation des 2 chromatides soeurs - Migration des chromatides vers les pôles cellulaires - Chaque chromosome comprend un seul chromatide Télophase : - Décondensation des chromosomes - Formation de l’enveloppe nucléaire - Reconstruction du noyau et des nucléoles A la fin de l’anaphase, début de la cytodiérèse (division du cytoplasme), qui se termine pendant la télophase avec la formation d’un sillon de division (filaments d’actine et de myosine) Caryotype : organisation de l’ensemble des chromosomes d’un organisme Chromosomes ne sont visibles que pendant la mitose 7 Biologie Chapitre 4 Automne 2021 4.3. ENERGETIQUE CELLULAIRE Adénosine triphosphate (ATP) Glucose et autres sources d’énergie Respiration cellulaire et phosphorylation oxydative Glucose → [Glycolyse] → Pyruvate → Mitochondries → Cycle de Krebs → Molécules intermédiaires → Phosphorylation oxydative Sources d’énergie : Glucides (principales) ; lipides et acides aminés (pouvant entrer dans le cycle de Krebs, mais réactions moins efficaces car moins de production d’ATP) 8 Biologie Chapitre 4 Automne 2021 Glycolyse : (1) → (3) : 1 molécule de glucose = 1 ATP (4) : Passage à 2 molécules (5) : Stade intermédiaire = début de production d’énergie Énergétique cellulaire en absence d’oxygène : Transformation du glucose en lactate avec formation de 2 molécules d’ATP Cycle de Krebs dans la mitochondrie : (présence d’O2) Production d’énergie : glycolyse et cycle de Krebs En présence d’O2 : 1) 4 ATP directs, 10 NADH, 2 FADH2 2) 4 ATP directs, 30 ATP (NADH), 4 ATP (FADH2) → 38 ATP 9 Biologie Chapitre 5 Automne 2021 BIOLOGIE – CHAPITRE 5 : DEVELOPPEMENT DE L’ORGANISME 5.1. PROLIFERATION, DIFFERENCIATION ET APOPTOSE Prolifération : croissance, division et multiplication des cellules Différenciation : mécanisme de spécialisation de la cellule Apoptose : mort cellulaire programmée, contrôlée par le génome Un humain adulte, dont toutes les cellules sont produites à partir d’une seule cellule, après fécondation de l’ovocyte, comprend entre 1013 et 1014 cellules. Organisme unicellulaire Organisme pluricellulaire Environnement favorable → Prolifération Prolifération, différenciation, apoptose Environnement défavorable → Mort cellulaire Mécanismes de différenciation : clonage Noyau de chaque cellule différenciée chez l’adulte conserve la possibilité de conduire le programme de développement complet de l’organisme (= possibilité de clonage) ; cependant, noyau doit être « reprogrammé » dans la cellule œuf pour permettre un développement complet de l’embryon (raison pour laquelle le clonage réussit bien mieux avec une cellule non différenciée ; une cellule adulte ne peut plus donner d’individu entier) Vieillissement prématuré : raccourcissement des télomères (responsables de la division cellulaire) à l’origine du vieillissement, cellules prélevées pour clonage sont déjà « entamées », d’où le vieillissement prématuré [?] Mécanismes de différenciation : facteurs de différenciation Cellules souches pluripotentes (= pouvant donner différents types de cellules) Début de développement = prolifération Présence de différentes molécules (environnement) va induire une différenciation cellulaire ; favorisation ou inhibition Apoptose : Indispensable au développement : élimination de cellules supplémentaires (ex : mains et pieds palmés) 1 Biologie Chapitre 5 Automne 2021 5.2. ETAPES DU DEVELOPPEMENT De l’œuf au blastocyte Cellules souches embryonnaires pluripotentes Les cellules embryonnaires de la masse cellulaire interne sont pluripotentes. Les cellules souches embryonnaires peuvent donner naissance à n’importe quelle cellule de l’organisme. 2 Biologie Chapitre 5 Automne 2021 Gastrulation et organogénèse → Différenciation progressive Endoderme – mésoderme – ectoderme = 3 tissus intermédiaires 5.3. DEVELOPPEMENT DU SYSTÈME NERVEUX Fécondation et formation du tube neural Gouttière neurale → tube neural → système nerveux (dont cerveau et moelle épinière) - Endoderme (viscères), mésoderme (os, muscles), ectoderme (système nerveux, peau) - Système nerveux dérive de l'ectoderme - Plaque neurale, tube neural, crête neurale (SNP), somites (vertèbres, muscles), neurulation Malformations : Anencéphalie, spina bifida, non-fermeture du tube neural Importance de l’alimentation pendant le premier mois de grossesse 3 Biologie Chapitre 5 Automne 2021 Différenciation du cerveau antérieur Le cerveau primitif : - Prosencéphale (Télencéphale + Diencéphale), Mésencéphale, Rhombencéphale Système ventriculaire du cerveau Système nerveux des vertébrés Cerveau humain 4 Biologie Chapitre 5 Automne 2021 Neurogénèse - Prolifération cellulaire (cellules souches, zone ventriculaire) - Migration cellulaire (glie radiaire, neuroblastes, assemblage inside-out) - Différenciation cellulaire et des aires corticales - Établissement de connexions (cône de croissance, chémoattraction et chémorépulsion) - Formation et élimination de synapses (facteurs de croissance et neurotrophines) - Neurogenèse postnatale, des cas d'exception : le bulbe olfactif et le gyrus denté - Plasticité et périodes critiques de développement (introduction) Prolifération cellulaire et différenciation 5 Biologie Chapitre 5 Automne 2021 Migration des neurones pyramidaux Attraction et répulsion des neurones va donner au neurone sa position finale dans la plaque corticale Première couche à se former est la plus profonde (VI) Les couches suivantes se forment par migration à travers les couches déjà formées Sous-plaque disparaît quand aire est mature 6 Biologie Chapitre 5 Automne 2021 5.4. RENOUVELLEMENT DES TISSUS Différents tissus et organes Tissu épithélial : tissu protecteur et fonctionnel - Protection - Sécrétion et excrétion - Réception sensorielle Tissu conjonctif : tissu de soutien et d’échanges - Cellules non-jointives - Matrice extracellulaire Tissu musculaire : activité contractile - Muscle strié - Muscle cardiaque - Muscle lisse Tissu nerveux : tissu excitable, transport et traitement d’information - Substance blanche et substance grise - Système nerveux central - Système nerveux périphérique Tissu nerveux : Neurone : cellule nerveuse, unité fonctionnelle fondamentale du système nerveux pour le traitement d’information Astrocyte : cellule gliale, fonction nutritive, rôle de soutien et régulation de la communication entre neurones Oligodendrocyte : cellule gliale, forme la gaine de myéline (couche isolante) autour des axones du système nerveux central Microglie : cellule gliale, fonction défensive et réparatrice Substance blanche : partie du système nerveux central constituée par les axones myélinisés des neurones Substance grise : partie du système nerveux central constituée par les corps cellulaires et dendrites des neurones Cellules souches adultes : capacités de différenciation - Persistent tout au long de la vie et contribuent en permanence au renouvellement des tissus - Se divisent pour donner : 2 cellules souches ou 1 cellule souche et 1 cellule différenciée - Ne peuvent pas donner tous les types de cellules - Multipotentes (plusieurs types cellulaires) ou unipotentes (un seul type cellulaire) 7 Biologie Chapitre 6 Automne 2021 BIOLOGIE – CHAPITRE 6 : REPRODUCTION DE L’ORGANISME 6.1. REPRODUCTION SEXUEE Méiose et fécondation : Gamète mâle (spermatozoïde) + gamète femelle (ovocyte) = Recombinaison des matériels héréditaires Détermination du sexe : gène SRY 23 paires de chromosomes humains (22 paires d’autosomes, 1 paire de chromosomes sexuels) ; XX pour génotype féminin, XY pour génotype masculin Gène SRY : situé sur le chromosome Y, code pour la protéine TDF (testis-determining factor) Différenciation des organes reproducteurs internes : Différenciation des organes reproducteurs externes : D’abord indifférenciation des organes, présence de testostérone va induire la différenciation des organes reproducteurs mâles Différenciation des organes reproducteurs externes et internes : Discordance entre sexe génétique et action des hormones : syndrome d’insensibilité aux androgènes (mutation du gène AR, récepteur aux androgènes), hyperplasie surrénalienne congénitale (production trop élevée d’androgènes) 1 Biologie Chapitre 6 Automne 2021 Gamétogénèse et fécondation Fécondation : Rencontre de deux cellules haploïdes (spermatozoïde et ovocyte) pour former une cellule diploïde (zygote ou cellule œuf) ; fusion des noyaux maternels et paternels pour former le noyau diploïde de la cellule œuf ; elle commence alors à se diviser pour donner un embryon 2 Biologie Chapitre 6 Automne 2021 Puberté et cycle menstruel L’augmentation de la concentration d’hormone lutéinisante (LH) provoque l’ovulation. La période de fécondité d’une femme dépend de la durée de vie de l’ovule et des spermatozoïdes. - Un ovule survit pendant environ un jour après l’ovulation. - Les spermatozoïdes peuvent survivre environ six jours. La période de fécondité d’une femme dure environ sept jours du cycle menstruel. - Cinq jours avant l’ovulation. - Le jour de l’ovulation. - Un ou deux jour(s) après l’ovulation. 3 Biologie Chapitre 6 Automne 2021 Méthodes contraceptives hormonales = perturbation d’hormones du cycle Estrogène (Œstradiol) L’œstrogène le plus communément utilisé dans les contraceptifs oraux est l’œstradiol, toujours en combinaison avec des progestines. Effets sur la reproduction. Pris continuellement pendant le cycle menstruel avec de la progestérone, l’œstradiol inhibe la libération d’autres hormones liées à la reproduction, incluant l’hormone lutéinisante (LH) et l’hormone folliculostimulante (FSH), prévenant ainsi l’ovulation. Progestérone (Progestine) La progestérone peut contribuer à empêcher une grossesse de plusieurs manières : - En inhibant la production de l’hormone lutéinisante (LH), dont une augmentation de la concentration est normalement liée à l’ovulation. - En rendant le mucus cervical plus épais, contribuant ainsi à former une barrière contre l’entrée de sperme dans l’utérus. Procréation médicalement assistée - Certain impact sur le développement dû à l’environnement « simulé » du procédé in vitro - Sélection des embryons selon viabilité globale - Historiquement : introduction de plusieurs embryons pour garantir le succès de la procédure - Questions liées aux embryons supplémentaires - Risques potentiels de la procédure mènent à un suivi très proche 4 Biologie Chapitre 6 Automne 2021 6.2. HEREDITE Transmission de caractères génétiques spécifiques d'une génération à l'autre ; - Gènes déterminants (couleurs des yeux, maladie de Huntington, etc), codent pour un phénotype - Gènes de prédisposition (cancer, Alzheimer, etc) Génotype et phénotype : Génotype : ensemble des gènes qui Phénotype : caractère manifeste de l'expression caractérisent un être vivant du génotype Allèles : différentes versions d’un même gène Dominant : allèle exprimé déterminant le (APOE : E2, E3, E4) phénotype Homozygote : deux mêmes allèles pour un gène Récessif : allèle ne contribuant pas au (E3-E3) phénotype Hétérozygote : deux allèles différents pour un Codominant : allèle contribuant en partie au gène (E2-E3) phénotype Génétique : Première loi de Mendel : Uniformité des hybrides Le croisement de deux souches homozygotes différentes donne des hybrides qui sont tous identiques pour le caractère en question. Deuxième loi de Mendel : Ségrégation des allèles L’union de deux parents hétérozygotes aboutit à l’apparition de plusieurs phénotypes. Troisième loi de Mendel : Assortiment indépendant des caractères Lorsque les parents sont homozygotes pour deux caractères différents, les enfants présentent tous le même génotype. L’union de parents hétérozygotes pour plusieurs caractères provoque l’apparition de nouvelles combinaisons. Gènes sur le même chromosome Des enjambements entraînent l’échange d’un allèle entre deux chromatides de chromosomes homologues, provoquant l’apparition d’un petit pourcentage de gamètes différents. Hérédité liée au sexe : Gènes humains portés spécifiquement par le chromosome X, allèle récessif exprimé chez le mâle, le chromosome Y ne possédant pas d’allèle de ce gène : Hémophilie, Myopathie de Duchenne, Daltonisme Maladies génétiques : Allèle dominant sur un autosome : la chorée de Huntington Allèle récessif sur un autosome : la mucoviscidose 5 Biologie Chapitre 6 Automne 2021 Couleur des yeux : Deux gènes : HERC2, gey Trois couleurs : brun, vert, bleu HERC2 régule l’expression d’OCA2 : - En théorie, recombinaison possible - En pratique : HERC2 et OCA2 sont liés ; situés très proches sur le chromosome 5 et restent la plupart du temps associés (ne sont généralement pas transmis de manière indépendante) Groupes sanguins : 6 Biologie Chapitre 6 Automne 2021 6.3. EPIGENETIQUE Tout changement d’activité ou de fonctionnement du génome qui n’implique pas un changement au niveau de la séquence d’ADN, et qui est héritable au cours des divisions cellulaires ou de la méiose. (Environnement/expérience pouvant modifier l’expression des gènes) Fixement de groupement méthyle sur histones → compaction de régions de l’ADN Hétérochromatine : une forte méthylation de l’ADN inhibe la transcription des gènes Euchromatine : une faible méthylation de l’ADN favorise la transcription des gènes - Importance de l’acide folique pour le - Transmission à la génération suivante développement - Remise à zéro des marqueurs épigénétiques - Fournisseur de groupes méthyles o Restauration de la pluripotence des - Influence de l’environnement cellules (dans majorité des cas, mais o Stress parfois résistance de marqueurs) o Nutrition Gène Agouti : ADN méthylé - Pelage brun - Bonne santé ADN non méthylé - Pelage jaune - Obésité - Diabète type 2 7 Biologie Chapitre 7 Automne 2021 BIOLOGIE – CHAPITRE 7 : COMMUNICATIONS INTER-CELLULAIRES 7.1. COMMUNICATIONS CELLULAIRES ET MAINTIEN DE L’HOMEOSTASIE Homéostasie : - Stabilisation de différentes constantes physiologiques chez les êtres vivants - Maintien de conditions internes stables dans un environnement variable - → Mécanismes de régulation pour maintien de conditions optimales Communiquer : - Transmettre - Mettre en relation - La cellule émettrice génère un signal. - Être en rapport - La cellule réceptrice possède des récepteurs. - La liaison du signal au récepteur déclenche une réponse. - Le signal a une durée limitée. - Un système de rétrocontrôle régule la communication. Influence de l’environnement Mécanisme de rétroaction Changement d’environnement → changement du signal de cellule émettrice Communications inter-cellulaires par contact direct Ce type de communication peut, par exemple, connecter le cytoplasme de deux cellules, permettant ainsi le transfert direct de petites molécules et la synchronisation de l’activité des deux cellules. Protéines transmembranaires permettent de mettre en communication les cytoplasmes des deux cellules Communications inter-cellulaires par molécules signal, 1 1. Régulation autocrine : la molécule signal est reconnue par des récepteurs présents sur la cellule émettrice. 2. Régulation paracrine : la molécule signal est reconnue par des récepteurs présents sur des cellules voisines. 3. Régulation endocrine : la molécule signal est libérée dans la circulation sanguine, on parle alors d’hormones. Communications inter-cellulaires par molécules signal, 2 Dans le tissu nerveux, on trouve des cellules spécialisées pour la communication : les neurones. Les molécules signal libérées par les neurones sont appelées neurotransmetteurs. Les neurotransmetteurs sont libérés au niveau d’une région de contact spécialisée : la synapse. Les molécules signal se lient à des récepteurs spécifiques au niveau du neurone post-synaptique. A l’intérieur d’un neurone, l’information est transportée sous forme de signal électrique : le potentiel d’action. 1 Biologie Chapitre 7 Automne 2021 7.2. COMMUNICATION PAR CONTACT DIRECT Jonctions serrées/étanches Les jonctions étanches sont des éléments déterminants dans la spécialisation des cellules. Elles empêchent les protéines membranaires de se déplacer librement dans la bicouche lipidique. Barrière hémato-encéphalique La barrière hémato-encéphalique isole le système nerveux central (cerveau et moelle épinière) du reste de l’organisme. Jonctions communicantes et synchronisation : gap junctions Ces jonctions sont constituées de protéines transmembranaires : les connexines. Les connexines associent les deux membranes de cellules adjacentes et forment des canaux perméables aux petites molécules comme les ions et l’ATP. Elles permettent de coordonner la réponse des cellules d’un même tissu. Liaison des cytoplasmes des 2 cellules Synapse électrique Les synapses électriques permettent une réponse rapide et une synchronisation d’ensembles fonctionnels de neurones. Elles sont rares chez les vertébrés. 2 Biologie Chapitre 7 Automne 2021 Jonctions d’ancrage et molécules d’adhérence Les molécules d’adhérence assurent la formation de jonctions stables entre les cellules. Pas de contact direct, pas d’ouvertures pour relier les cytoplasmes Molécules d’adhérence - Cadhérines - Intégrines - Sélectines - CAM (cell adhesion molecules / molécules d’adhésion cellulaire) Plusieurs familles de molécules d’adhérence régulent la formation de jonctions stables entre les neurones. Complexité → rôle dans certaines pathologies Les molécules d’adhérence interviennent également dans le mécanisme d’inhibition de contact, qui permet de contrôler la prolifération cellulaire au sein d’un tissu. Le dysfonctionnement du mécanisme d’inhibition de contact est associé au cancer, en permettant aux cellules de continuer à se diviser de manière incontrôlée. Facteurs de croissance Des molécules libérées par les cellules émettrices diffusent dans la matrice extra-cellulaire. Des facteurs de croissance sont nécessaires pour la survie, la prolifération et la différenciation cellulaire. VEGF et cancer : Vascular Endothelial Growth Factor - Favorise la croissance et la division cellulaire - Favorise la croissance des vaisseaux sanguins Cibles potentielles pour le traitement du cancer (limitation pour diminuer les tumeurs) Nerve Growth Factor : Le facteur de croissance neuronal (NGF) est nécessaire pour la croissance, le maintien et la survie des neurones. 3 Biologie Chapitre 7 Automne 2021 Système nerveux : Il existe de nombreux récepteurs à la surface des cellules, spécifiques pour différents facteurs de croissance. - Nerve Growth Factor (NGF) - Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) - Neurotrophin-3 (NT-3) - Neurotrophin-4/5 (NT-4/5) - Neurotrophin-6 (NT-6) ➔ Importants pour croissance et maintien du SN 7.3. COMMUNICATION A DISTANCE : SYSTÈME ENDOCRINIEN Hormone : substance élaborée par un groupe de cellules (ou organe), qui exerce une action spécifique sur un autre tissu ou organe. Les hormones sont généralement sécrétées par des structures glandulaires (à sécrétion interne = endocrinien) et transportées par le sang. Récepteurs spécifiques permettant de lire l’hormone Cellules sécrétrices d’hormones Les cellules émettrices d’hormones sont regroupées dans des glandes endocrines : - Pancréas, hypophyse, gonades, glande corticosurrénale, glande thyroïde Hormones peptidiques : (polymères d’acides aminés) - Glucagon et insuline (pancréas : régulation de la glycémie) - Hormones lutéinisante (LH) et folliculostimulante (FSH) (hypophyse : reproduction) Hormones stéroïdiennes : (dérivés du cholestérol) - Testostérone (testicules : hormone mâle) - Estradiol (ovaires : hormone femelle) - Cortisol (glande corticosurrénale : hormone de stress) Hormones monoaminées : (dérivés d’acides aminés) - Thyroxine (T4) (développement du système nerveux) - Triiodothyronine (T3) (développement du système nerveux) Cellules cibles à récepteurs spécifiques Les différents effets d’une même hormone dans différents tissus sont liés à l’activation de différents récepteurs. 4 Biologie Chapitre 7 Automne 2021 Régulation de la glycémie : mécanismes Diabète de type I : Défaut de production d’insuline par les cellules du pancréas. Le diabète insulino-dépendant représente 10 à 15% des cas de diabète ; Il survient le plus souvent chez un sujet non obèse, avant l'âge de 30 ans. Destruction des cellules du pancréas suite à une réaction auto-immunitaire. Prédisposition génétique liée