Notes de Cours - Biologie cellulaire - Cégep André-Laurendeau - Automne 2024 PDF

DÉPARTEMENT DE BIOLOGIE PROGRAMME SCIENCES DE LA NATURE 200.B1 Biologie cellulaire 101-SN1-RE Notes de cours BLOC 2 Automne 2024 Marina TYMOFIEVA Local 6.147-1 Les cellules eucaryotes Plan de la se...

DÉPARTEMENT DE BIOLOGIE PROGRAMME SCIENCES DE LA NATURE 200.B1 Biologie cellulaire 101-SN1-RE Notes de cours BLOC 2 Automne 2024 Marina TYMOFIEVA Local 6.147-1 Les cellules eucaryotes Plan de la session Bloc 1 Bloc 2 Bloc 3 Caractéristiques du vivant Cellule eucaryote Synthèse des protéines Chimie du vivant Métabolisme cellulaire Génétique et hérédité Cellule procaryote et virus Cycle cellulaire 1 Structure et organites cellulaire 1. Membrane plasmique (présentée par moi) 2. Noyau 3. Ribosome 4. Complexe golgien 5. Réticulum endoplasmique rugueux et lisse (RER et REL) 6. Cytosquelette 7. Lysosome et autres vésicules 8. Vacuole centrale 9. Mitochondrie 10. Chloroplaste 11. Paroi http://cellule.ccdmd.qc.ca/ Structure détaillée de la membrane plasmique 2 La membrane plasmique: anatomie (structure) Bicouche lipidique (phospholipides) dans laquelle sont insérés des protéines et du cholestérol. 1. Phospholipides: Disposition en deux couches : les têtes polaires font face aux liquides et les queues hydrophobes se retrouvent « en sandwich » au milieu. Permettent la fluidité de la membrane: les molécules de la bicouche se déplacent latéralement, mais les interactions polaires/non-polaires empêchent mouvements verticaux. Si la membrane se déchire, les phospholipides se replacent spontanément et réparent la déchirure. Les chercheurs se servent de cette propriété pour retirer et remplacer les noyaux pour des expériences de clonage. La membrane plasmique : anatomie (structure) 2. Cholestérols: s’insèrent entre les queues hydrophobes des phospholipides. Fonction à haute température : freine le mouvement des phospholipides et stabilise la membrane. Fonction à basse température : empêche l’entassement des phospholipides et la solidification de la membrane en « graisse de bacon ». 3. Protéines: environ la moitié de la masse de la membrane! Insérées entre les phospholipides. Plusieurs protéines y flottent et se déplacent constamment. D’autres sont ancrées au cytosquelette. Multiples fonctions: transport, reconnaissance, réaction, fixe le cytosquelette, etc. 3 La membrane plasmique: fonction (son rôle) Entoure la cellule: sépare le milieu liquide intracellulaire du milieu liquide extracellulaire. Perméabilité sélective: échange entre l’intérieur et l’extérieur de la cellule = entrée spécifique de nutriments et sortie de déchets. Union des cellules : union de cellules en tissus à l’aide des protéines Glycoprotéines : elles rendent chaque cellule unique. – Ex. : système immunitaire reconnaît et se lie aux bactéries à l’aide de ces marqueurs – Ex. : spermatozoïde reconnaît ovule – Ex. : définit les groupes sanguins  http://www.youtube.com/watch?v=Qqsf_UJcfBc  http://www.youtube.com/watch?v=4gLtk8Yc1Zc&feature=related Structure et organites cellulaire 1. Membrane plasmique (présentée par moi) 2. Noyau 3. Ribosome 4. Complexe golgien 5. Réticulum endoplasmique rugueux et lisse (RER et REL) 6. Cytosquelette 7. Lysosome et autres vésicules 8. Vacuole centrale 9. Mitochondrie 10. Chloroplaste 11. Paroi http://cellule.ccdmd.qc.ca/ 4  La cellule en APP! Remplir le document en équipe selon les consignes en classe et correction avec l’enseignante. Le feuillet complété et corrigé devient ainsi vos notes de cours! Vous devez donc reconnaître la structure et la fonction de tous les organites des cellules eucaryotes végétales et animales. 8 équipes (3 ou 4 personnes) – 2 équipes travaillent sur les mêmes organites! Travaillez sur vos organites: 20 minutes Mise en commun des résultats: – Dessin et réponses au tableau Équipe 1 Noyau Ribosome 5  Équipe 2 Réticulum endoplasmique rugueux (RER) Réticulum endoplasmique lisse (REL) Complexe golgien Vésicules Équipe 3 Cytosquelette Lysosome Vacuole centrale 6  Équipe 4 Mitochondrie Chloroplaste Paroi Comparaison cellules animale et végétale Les cellules animales et végétales sont presque identiques au niveau de l’anatomie. Toutefois, puisque les deux types de cellules ne sont pas présents dans le même genre d’organisme vivant, elles ont par sélection naturelle (évolution) acquis des organites spécifiques à leurs fonctions! Cellule animale: Lysosome, centrosome (cytosquelette) et flagelle Cellule végétale: chloroplaste, vacuole centrale et paroi (plasmodesmes) 7  La cellule animale p. 111 fig. 6.98 Cellule végétale p. 111 fig. 6.8 8 Préparation et étude Lecture: p.138-154 et 109-133 (Chapitres 6 et 7) Figures: (7.2 à 7.6) et (6.8 à 6.23 sauf 6.16 et 19) et 6.27 Exercices: – p. 135: # 1, 2, 3, 4, 5, 6 – p. 155: # 1, 2, 3 Le métabolisme cellulaire 9  Plan de la session Bloc 1 Bloc 2 Bloc 3 Caractéristiques du vivant Cellule eucaryote Synthèse des protéines Chimie du vivant Métabolisme cellulaire Génétique et hérédité Cellule procaryote et virus Cycle cellulaire Le métabolisme cellulaire 1) Métabolisme: voie métabolique, bioénergétique et travail cellulaire 2) Les enzymes: rôle et fonctionnement 3) Le transport membranaire: passif, actif et vésiculaire 4) La respiration cellulaire: processus sommaire de la voie métabolique 10 1. Métabolisme La croissance, le développement, la reproduction et les autres caractéristiques vitales des organismes s’effectuent grâce au métabolisme se déroulant dans chaque cellule. La cellule est une usine miniature (système ouvert) où se produisent des milliers de réactions biochimiques dans un espace microscopique! Le métabolisme est une propriété émergente de la vie: elle résulte des interactions entre les molécules d’une cellule organisée et permet à la cellule de gérer ses ressources énergétiques et matérielles. 1. Métabolisme Les voies métaboliques sont les séquences d’étapes où une même molécule subit des modifications jusqu’à l’obtention d’un produit. Les voies peuvent être linéaires, ramifiées ou circulaires. Les enzymes sont les « ouvrières » spécifiques sur ces voies métaboliques et permettent les transformations à chaque étape. Le métabolisme cellulaire est le résultat de voies anaboliques et cataboliques et de la transformation de l’énergie. Enzyme 1 Enzyme 2 Enzyme 3 A B C D Réaction 1 Réaction 2 Réaction 3 Molécule de départ (réactif) Molécule finale (produit) 11 1. Métabolisme Voie catabolique: – Une molécule complexe est transformées en molécules simples – C’est une réaction de dégradation (ex. la respiration cellulaire) – Il y a une libération d’énergie – Dessin: Voie anabolique: – Des molécules simples sont assemblées en une molécule complexe – C’est une réaction de synthèse (ex. la synthèse d’une protéine) – Il y a une consommation d’énergie – Dessin: 12 1. Métabolisme Bioénergétique: étude de la circulation de l’énergie dans la cellule – L’énergie c’est la capacité de causer un changement pour produire un travail, vaincre des forces ou changer la disposition de la matière. – Elle peut être associée au mouvement d’objet (cinétique), des atomes ou molécules (thermique), de photons (lumineuse) ou d’électrons (électricité). – L’énergie potentielle est associée à l’énergie que possède la matière en l’ABSENCE de mouvement en raison de sa position ou de sa structure! Les molécules d’une cellule sont donc une source d’énergie potentielle, car de l’énergie peut être libérée lorsque de nouvelles liaisons se forment (anabolique) après le bris de liaisons (catabolique). Les biologistes appellent « énergie chimique » cette libération d’énergie à partir de molécules. 1. Métabolisme Thermodynamique: transformation d’énergie La cellule étant un système ouvert, les lois de la thermodynamique s’appliquent puisqu’il y a un transfert d’énergie et de matière entre la cellule et son environnement. 1) L’énergie peut être transférée ou transformée, mais elle ne peut pas être détruite ou créée. 2) Tout échange d’énergie augmente l’entropie de l’univers (environnement du système) et une quantité d’énergie devient inutilisable (chaleur libérée d’un organisme). 13 1. Métabolisme Énergie libre et métabolisme L’énergie libre (G) est la portion d’énergie d’un système (cellule) qui peut produire un travail à température et pression constante. 2 types de réactions chimiques cellulaires: 1) Exergoniques: Énergie vers l’extérieur Dégagement net d’énergie libre (ΔG négatif) 2) Endergoniques: Énergie vers l’intérieur Absorbe l’énergie libre de son environnement (ΔG positif) 1. Métabolisme Le travail cellulaire: ATP Le couplage énergétique (bioénergétique) d’une réaction exergonique pour déclencher une réaction endergonique est réalisé grâce à l’adénosine triphosphate (ATP). Ce couplage permet aussi de diminuer l’entropie (désordre) de la cellule et de réutiliser rapidement le maximum d’énergie libérée. La molécule d’ATP est composée d’un ribose, d’une base azotée adénine et de 3 groupements phosphate (triphosphate). L’hydrolyse de l’ATP est une réaction exergonique. L’énergie libérée par l’hydrolyse d’un groupement phosphate, à cause de la répulsion mutuelle des charges négatives du triphosphate (ressort comprimé), est légèrement supérieure à l’énergie libérée par l’hydrolyse des autres molécules! 14 1. Métabolisme Exemples de type de travail cellulaire à partir de l’ATP 1) Mécanique: changement de forme d’une cellule, la contraction cellules musculaires, etc. 2) Transport: substance au travers la membrane en sens inverse 3) Chimique: déclenchement de réaction endergoniques comme la synthèse de polymère à partir de monomère. 1. Métabolisme La régénération de l’ATP (cycle de l’ATP) Un organisme utilise continuellement de l’ATP pour son métabolisme. Bonne nouvelle, l’ATP est une ressource renouvelable! Cycle de l’ATP: cycle entre l’hydrolyse de l’ATP et la synthèse de l’ATP à partir d’un groupement phosphate inorganique et d'un ADP (réaction endergonique). Cette dernière étape se nomme la phosphorylation et est possible grâce à la respiration cellulaire (réaction exergonique)! 15 Questions! 1) L’augmentation de l’entropie n’affecte pas la survie de la cellule: Vrai ou Faux 2) La synthèse du maltose est une réaction endergonique ou exergonique? 3) Une voie métabolique est nécessairement linéaire: Vrai ou Faux 4) Toutes les réactions chimiques nécessitent de l’ATP: Vrai ou Faux 5) Une fois utilisée, l’ATP est complètement dégradée: Vrai ou Faux? Le métabolisme cellulaire 1) Métabolisme: voie métabolique, bioénergétique et travail cellulaire 2) Les enzymes: rôle et fonctionnement 3) Le transport membranaire: passif, actif et vésiculaire 4) La respiration cellulaire: processus sommaire de la voie métabolique 16  2. Les enzymes L’énergie d’activation (EA) Pour qu’une molécule se transforme en une autre, elle doit tout d’abord devenir instable et se déformer. La quantité d’énergie libre (G) requise pour la rendre instable est appelée: énergie d’activation ou EA 1) Activation des réactifs: les réactifs doivent absorber assez d’énergie libre de l’environnement pour devenir instables 2) État de transition: les réactifs sont activés et les liaisons se brisent 3) Perte d’énergie: de nouvelles liaisons se forment ce qui crée un dégagement d’énergie (libre) dans l’environnement (réaction exergonique). L’ EA se trouve sous forme de chaleur dans l’environnement Il est rare que l’EA permette des réactions spontanément à la température ambiante. Plus il fera chaud plus la réaction sera rapide! 2. Les enzymes Catalyseurs biologiques: ENZYMES Les enzymes accélèrent les réactions métaboliques en diminuant l’énergie d’activation ou EA Un catalyseur est un agent chimique qui modifie la vitesse d’une réaction, tout en restant inchangé. Enzyme: catalyseur biologique Protéine globulaire qui accroît la vitesse (1012 fois) d’une réaction métabolique. Ne fait qu’accélérer un processus: ils n’augmentent pas la quantité d’énergie libérée. Les enzymes sont spécifiques à leurs réactifs et ne sont pas dégradés pendant la réaction. 17 2. Les enzymes Mode d’action et spécificité Substrat: réactif(s) sur lequel agit l’enzyme Site actif: Chaînes latérales (R) de quelques acides aminés à la surface de l’enzyme où se lie le substrat pour l’ajustement induit Complexe enzyme-substrat: enzyme liée à son substrat Produit: résultat de la transformation du substrat par l’enzyme Le site actif est très spécifique: l’ajustement induit correspond à la reconnaissance moléculaire du site actif de l’enzyme et du substrat. Le site actif de l’enzyme correspond à celle du substrat et ils se lient avec des liaisons non covalentes (Ex. ioniques ou H) 2. Les enzymes Mode d’action et spécificité: Les étapes du mode d’action: 1. Le(s) substrat(s) se lient au site actif et l’enzyme change de forme (ajustement induit). 2. Le(s) substrat(s) sont maintenus dans le site actif par des liaisons d’H et ioniques 3. Le site actif abaisse l’EA et accélère la réaction en: Modifiant l’orientation du substrat Rapprochant deux substrats Étirant le substrat Créant un microenvironnement optimal 4. Le(s) substrat(s) se transforment en produits 5. L’enzyme libère les produits 6. Le site actif est prêt pour de nouveaux substrats 18 2. Les enzymes Mode d’action et spécificité: On ne peut augmenter indéfiniment la vitesse d’une réaction en ajoutant du substrat à une concentration fixe d’enzyme. À ce point, la concentration du substrat est assez élevée pour que tous les sites actifs des enzymes soient occupés et l’enzyme est alors SATURÉE La vitesse d’une réaction est déterminée par la vitesse du site actif pour convertir le substrat Pour augmenter la vitesse de conversion, il faut augmenter le nombre d’enzymes par rapport au nombre de substrats afin de la désaturer. Facteurs qui ont une influence sur l’efficacité d’une enzyme: 1. La température et le pH de l’environnement 2. Les cofacteurs 3. Les inhibiteurs enzymatiques 2. Les enzymes La température: Plus la température augmente, plus la réaction s’accélère, car les substrats heurtent les sites actifs plus fréquemment. Au-delà d’une certaine température, la vitesse de réaction chute brusquement, car l’enzyme se dénature (agitation thermique et bris des liaisons). La température optimale des enzymes humaines se situe entre 35°C et 40°C Celle des bactéries thermophiles des sources hydrothermales est de 70°C Celle des bactéries psychrophiles est de 12°C Le pH: Le pH optimal pour la majorité des enzymes humaine se situe entre 6 et 8 sauf pour les enzymes digestives (ex: pepsine pH2). Si le pH s’éloigne de ces valeurs, il y a risque de dénaturation de l’enzyme: bris des liaisons par modification de l’environnement. 19 2. Les enzymes Les cofacteurs: Substances non protéiques qui aident certaines enzymes à accomplir leur fonction. Cofacteur Coenzyme Molécules inorganiques qui Molécules organiques qui se se lient de façon lient de façon permanente ou permanente ou non à non à l’enzyme. l’enzyme. Ex. Vitamines Ex. Zinc, fer, magnésium ou cuivre 2. Les enzymes Les inhibiteurs enzymatiques Substance qui se lie à l’enzyme et empêche son action. Inhibiteur irréversible L’inhibiteur est lié de façon covalente et permanente à l’enzyme Toxines & poisons (ex: gaz sarin, DDT, antibiotiques) Inhibiteur réversible L’inhibiteur est lié faiblement à l’enzyme Inhibiteur compétitif (réversible ou non): bloque le site actif Inhibiteur non-compétitif (réversible ou non): bloque une autre partie de l’enzyme (allostérique) http://www.youtube.com/watch?v=PILzvT3spCQ 20 2. Les enzymes La rétro-inhibition: régulation de l’activité enzymatique La cellule contrôle l’endroit et le moment pour chaque réaction enzymatique La rétro-inhibition permet la fermeture/ralentissement temporaire d’une voie métabolique grâce à l’intervention de son PRODUIT FINAL qui inhibe une enzyme de cette voie Empêche la cellule de dépenser au-delà de ses besoins ses ressources chimiques et son énergie Permet à la cellule d’utiliser ses ressources selon ses besoins et de mettre en réserve le surplus! Questions! 1) Une enzyme est une protéine globulaire tertiaire ou quaternaire: Vrai ou Faux 2) L’enzyme permet à une réaction de libérer plus d’énergie: Vrai ou Faux 3) Les vitamines sont des coenzymes qui aident certaines enzymes dans leur mode d’action: Vrai ou Faux 4) Un inhibiteur irréversible est toujours compétitif: Vrai ou Faux 5) L’augmentation de la température facilite toujours le travail des enzymes: Vrai ou Faux 6) Lors de la rétro-inhibition, quelle molécule devient l’inhibiteur de la voie métabolique? 21  Le métabolisme cellulaire 1) Métabolisme: voie métabolique, bioénergétique et travail cellulaire 2) Les enzymes: rôle et fonctionnement 3) Le transport membranaire: passif, actif et vésiculaire 4) La respiration cellulaire: processus sommaire de la voie métabolique 3. Le transport membranaire Pourquoi la cellule fait des échanges de substances ou de liquide avec son environnement? Et oui! La cellule fait des échanges avec son environnement… grâce à la perméabilité de sa membrane! Ces échanges sont essentiels pour la cellule et tout l’organisme. Une cellule qui n’échange pas ne peut pas communiquer avec les autres cellules et ne peut pas répondre à ses besoins métaboliques: elle meurt et tout l’organisme aussi… La filtration dans les reins, la communication entre les cellules nerveuses, la contraction rythmée du cœur, les échanges gazeux pour acheminer de l’oxygène aux cellules et éliminer le CO2…tous ces processus et plusieurs autres dépendent des échanges! La cellule animale (processus): http://cellule.ccdmd.qc.ca/index.php?nh=47# 22 3. Le transport membranaire La « classification » des types de transport… comment s’y retrouver! Les questions importantes à se poser pour bien définir le type de transport: 1) Est-ce que le transport de la substance est « gratuite » ou nécessite de l’énergie? 2) Est-ce que la substance passe directement au travers de la membrane, au travers une protéine ou nécessite une vésicule? Transport membranaire PASSIF ACTIF Aucun apport d’énergie nécessaire Nécessite de l’énergie (ATP) Diffusion Pompes Vésiculaire Mouvement cinétique aléatoire ou selon Contre le gradient de concentration Endocytose et exocytose le gradient de concentration Ex. Na+/K+ ou protons (H+) ou co- transport (couplage avec ATP) Simple Facilité Substance passe directement au travers Substance passe au travers une protéine de la membrane cellulaire (canaux ou transporteur) Osmose Mouvement de l’eau au travers une membrane 23 3. Le transport membranaire Le transport PASSIF La diffusion simple est le mouvement d’une substance directement au travers de la membrane. Les substances ont un mouvement aléatoire (cinétique) ou suivent leur gradient de concentration. La substance est généralement petite et liposoluble… pourquoi? Ex: O2 et CO2 3. Le transport membranaire Le transport PASSIF L’osmose est le phénomène associé au mouvement de l’eau à travers une membrane, lorsque les molécules ne peuvent pas la traverser. L’eau se déplace afin d’atteindre l’équilibre hydrique (si possible) de part et d’autre de la membrane. L’eau peut passer directement à travers la membrane plasmique, mais son transport est généralement facilité par des protéines (aquaporines). L’osmose est un processus important pour les cellules animale et végétale et l’équilibre hydrique n’est pas le même dans les deux cas… 24 3. Le transport membranaire Le transport PASSIF Sachant que la tonicité interne des cellules est autour de 0,85%, la variation tonique (ions et autres solutés) du milieu extérieur aura un impact sur le mouvement de l’eau (osmose). Les cellules animales et végétales ne réagissent pas de la même façon à l’équilibre hydrique… pourquoi? 3. Le transport membranaire Le transport PASSIF La diffusion facilitée se différencie de la diffusion simple par l’utilisation d’une protéine (canal ou transporteur) pour faire passer la substance au travers de la membrane. Les substances qui sont un peu plus grosses (ex. Glucose) ou hydrophiles passeront plus difficilement au travers les phospholipides. Il faut donc « faciliter » le transport! Les canaux sont des protéines « tunnels », par exemple les aquaporines présentes en grande quantité dans les reins! Les transporteurs sont des protéines qui modifient légèrement leur forme pour permettre à la substance de passer, comme pour le glucose. Dans les deux cas, il n’y a pas d’ATP nécessaire et le mouvement de la molécule se fait selon le sens de son gradient de concentration. 25 3. Le transport membranaire Le transport ACTIF Le transport actif permet le mouvement inverse « naturel » des substances: il permet de maintenir les gradients de concentration! Sans les gradients, les substances deviennent ultimement en équilibre de chaque côté de la membrane et il n’y a plus de mouvement net… Pour ce faire, de l’énergie (ATP) doit être impliquée avec la protéine de transport, qu’on appelle des « pompes ». Les pompes à sodium et potassium (Na+/K+) sont essentielles aux cellules nerveuses pour permettre la communication électrique! Ces protéines, à l’aide d’ATP, renvoient les Na+ et les K+ du côté de la membrane où ils sont le plus concentrés… Les pompes à proton (H+) permettent de la même manière de maintenir un gradient essentiel à plusieurs autres mécanismes dans les cellules animales et végétales. 3. Le transport membranaire Le transport VÉSICULAIRE Le transport vésiculaire est différent puisque la substance (ou le liquide), étant trop volumineux, ne passe pas au travers de la membrane. Ce transport nécessite de l’ATP, on le considère donc comme étant actif. Dans ces cas-ci, la membrane « s’enroule » autour de la substance et forme une vésicule! Endocytose: la vésicule est formée vers l’intérieur de la cellule et est acheminée à un lysosome, par exemple, pour une digestion! http://cellule.ccdmd.qc.ca/index.php?nh=33# Exocytose: la vésicule est formée vers l’extérieur de la cellule pour une sécrétion. http://cellule.ccdmd.qc.ca/index.php?nh=36# 26 Questions! 1) Une petite molécule liposoluble pourrait théoriquement faire de la diffusion simple: V ou F? 2) Il n’y a jamais de protéine lors de la diffusion: V ou F? 3) Le gradient électrochimique (ou chimique) n’a pas d’impact sur l’osmose: V ou F? 4) Une cellule végétale placée dans une solution hypertonique deviendra flasque: V ou F? 5) Le transport « actif » veut dire qu’une dépense d’énergie (ATP) est nécessaire: V ou F? 6) S’il y a 5 moles de glucose dans une solution d’eau du côté « A » d’une membrane imperméable au glucose et 15 moles de l’autre côté « B », est-ce qu’il y aura un mouvement de molécules? 7) Quels types de transport sont illustrés dans ces images? 8) La phagocytose nécessite de l’énergie: V ou F? Le métabolisme cellulaire 1) Métabolisme: voie métabolique, bioénergétique et travail cellulaire 2) Les enzymes: rôle et fonctionnement 3) Le transport membranaire: passif, actif et vésiculaire 4) La respiration cellulaire: processus sommaire de la voie métabolique 27  4. La respiration cellulaire Permet de convertir l’énergie chimique de source extérieure (molécules organiques dans la nourriture) en énergie utilisable par les cellules (ATP). L’ATP permet l’exécution rapide et précise des réactions métaboliques cellulaires importantes: synthèse de polymère, transport de substances à travers leurs membranes, déplacement, reproduction, division, etc. Chez les végétaux, l’énergie lumineuse (photons) est utilisée pour transformer du CO2 et de l’eau en énergie chimique (glucose) dans les chloroplastes lors de la photosynthèse. Entrée Sortie Recyclée Énergie lumineuse Énergie thermique Substances chimiques 4. La respiration cellulaire 1 3 2 Produit près de 90% de l’ATP!!! 28  1. La glycolyse Glycolyse signifie « dégradation du glucose » Cette étape se produit dans le cytosol uniquement. À la fin de cette première voie métabolique, le glucose est séparé en deux monosaccharides de 3 carbones chacun (pyruvate) qui sont ensuite oxydés https://courses.lumenlearning.com /wm-biology1/chapter/reading- glycolysis-2/ Oxydation  Perte d’électron Réduction  Gain d’électron ***Dans plusieurs réactions chimiques, un ou plusieurs électrons passent d’une réactif à un autre. Ces transferts sont appelés réactions d’oxydoréduction *** Ces notions seront vues dans vos cours de chimie. 1. La glycolyse La glycolyse peut être divisée en deux phases: 1. Phase d’investissement d’énergie La cellule dépense 2 ATP afin de modifier la molécule de glucose et la préparer à devenir deux molécules de pyruvates 2. Phase de libération d’énergie 4 ATP formés lors de la phosphorylation oxydative au niveau du substrat L’oxydation (perte d’électron) du glucose réduit (gain d’électron) le NAD+ en NADH (Coenzyme) **Carbone contenu dans le glucose se retrouve dans les deux molécules de pyruvate  PAS de libération de CO2 https://vcell.science/project/glycolysisoverview 29  2.a) Conversion du pyruvate en acétyl-CoA Le pyruvate entre dans la mitochondrie par transport actif et est transformé en Acétyl-CoA: 1) Un carbone contenu dans le pyruvate est oxydé et libéré sous forme de CO2 2) Le pyruvate est oxydé (perte d’électron). Les électrons et le H+ perdu lors de la réaction sont transférés au NAD+  forme NADH et H+ 3) Une Coenzyme A (dérivé d’une vitamine) se lie aux deux carbones ce qui forme l’Acétyl-CoA 4) Aucun ATP n’est formé dans cette étape. L’Acéyl-CoA est le réactif initial du cycle de l’acide citrique (cycle de Krebs)! 2.b) Cycle de l’acide citrique (cycle de Krebs) Cycle de 8 étapes, toutes effectuées par une enzyme spécifique Très peu d’ATP produit! La majorité de l’énergie chimique est transférée au NAD+ et FAD  Acheminent leur chargement riche en électrons vers la chaîne de transport d’électron (ATP +++) Pour chaque molécule d’Acétyl-CoA = 1 ATP, 1 FADH2 et 3 NADH Donc pour chaque molécule de glucose, il y aura 2 ATP, 2 FADH2 et 6 NADH (car chaque molécule de glucose produit 2 pyruvates) Phosphorylation au niveau du substrat https://vcell.science/project/citricacidoverview 30  3. Phosphorylation oxydative: Transport d’électrons 1. Chaîne transport d’électrons  protéines insérées dans la membrane interne de la mitochondrie. Les électrons des NADH et FADH se déplacent d’un transporteur d’électron à l’autre, du moins électronégatif au plus électronégatif. Électronégativité = force avec laquelle le noyau d’un atome attire des électrons Le dernier transporteur donne ses électrons à l’oxygène (O2) qui est TRÈS électronégatif, qui est neutralisé par l’ajout de 2 protons (H+)  H2O Importance de la chaîne?  Ex: Cyanure (poison) arrête la chaîne de transport d’électron en fixant un ion au dernier accepteur d’électron et en bloquant le passage des électrons vers l’O2 Pas de formation d’ATP?!?! Donc à quoi ça sert? https://vcell.science/project/electrontransportchain  Créer un gradient électrochimique de protons!! 3. Phosphorylation oxydative: Chimiosmose 2. Chimiosmose: Processus au cours duquel l’énergie emmagasinée sous forme de gradient électrochimique de part et d’autre d’une membrane est utilisée pour former un travail cellulaire L’ATP sera formé grâce à un complexe protéique appelé ATP synthase, inséré dans la membrane interne de la mitochondrie. 1. Les protons (H+) transportés par la chaîne de transport d’électron dans l’espace intermembranaire, contre leur gradient, reviennent dans la matrice à travers l’ATP synthase selon leur gradient électrochimique 2. Ce mouvement active une rotation et active des sites catalytiques de l’ATP synthase, ce qui transforme l’ADP + Pi en ATP! 3. 26 à 28 ATP sont formés par la phosphorylation oxydative https://vcell.science/project/atpsynthase 31  Bilan final de la respiration cellulaire Pour une molécule de glucose: Glycolyse: 4 ATP – 2 ATP = 2 ATP (phosphorylation au niveau du substrat) Cycle de l’acide citrique: 2 ATP (phosphorylation au niveau du substrat) Phosphorylation oxydative: 26 à 28 ATP Donc une molécule de glucose génère 30 à 32 ATP! 26 à 28 ATP NADH/FADH2 Chaîne de transport d’é Chimiose (H+) phosphorylation 1 Glucose oxydative 4 ATP phosphorylation au niveau du substrat Questions! 1. La glycolyse est la première étape de la respiration cellulaire et se produit dans le cytoplasme: V ou F 2. Le cycle de l’acide citrique (cycle de Krebs) produit 1 ATP par molécule de glucose: V ou F 3. La chaîne transporteur d’électron produit de l’ATP: V ou F 4. Les protons H+ se retrouvent dans l’espace intermembranaire des mitochondries à l’aide de la chaîne transporteur d’électrons : V ou F 5. La majorité de l’ATP produit lors de la respiration cellulaire provient de l’ATP synthase: V ou F 6. L’oxygène est utilisé à l’étape de l’acide citrique lors de la respiration cellulaire: V ou F 32 Préparation et étude Lecture: p. 144-153 et 158-176 et 180-194 (Chapitres 7, 8 et 9) Exercices: Chapitre 7 (p. 155) # 1 à 6 sauf 5. Chapitre 8 (p. 178) #1, 2, 4, 6, 7 et 8 Chapitre 9 (p. 201) # 1, 3, 4, 6, 7, 9 et 11 N’oubliez pas les exercices (cahier d’exercices) ! Le cycle cellulaire 33  Plan de la session Bloc 1 Bloc 2 Bloc 3 Caractéristiques du vivant Cellule eucaryote Synthèse des protéines Chimie du vivant Métabolisme cellulaire Génétique et hérédité Cellule procaryote et virus Cycle cellulaire Plan du cours 1) Cycle et mort cellulaire 2) Division cellulaire 3) La réplication de l’ADN 34  Cycle cellulaire Qu’est-ce que le cycle cellulaire? Le cycle cellulaire est le processus de la vie d’une cellule! Une suite de transformations que subit la cellule de sa formation par la division de la cellule mère jusqu’à la fin de sa propre division en deux cellules filles. Cellule 46 chromosomes non répliqués fille Cellule Mère 46 chromosomes Cellule répliqués 46 chromosomes non répliqués fille Cycle cellulaire Qu’est-ce que le cycle cellulaire? Interphase (G1, S et G2): 90% du temps en général (ADN déroulé sous forme de CHROMATINE) Division cellulaire (Mitose): 10% du temps (ADN enroulé sous forme CHROMOSOMES) Interphase 35  Cycle cellulaire L'interphase G1 (Gap 1) Durée: Variable! Quelques minute à quelques heures ou jours ou années! Croissance: Rapide avec production de protéines et d’organites. Interphase L'interphase S (synthèse) Durée: Variable. G1 S Croissance: Production de protéines et d’organites. Reproduction: L’ADN se réplique (réplication). G2 L'interphase G2 (Gap 2) Durée: Courte. Croissance: Production de protéines et d’organites. Fin de G2: La cellule est prête à se diviser. Les points de contrôle? Cycle cellulaire – apoptose La mort cellulaire programmée se nomme APOPTOSE Certaines cellules sont programmées pour mourir: elles cessent de se développer, meurent et sont absorbées par les cellules phagocytaires voisines pour ne pas endommager les cellules avoisinantes. Ce mécanisme est essentiel au développement normal d’un organisme. Comment? Les voies de communication cellulaire! Un signal interne ou externe à la cellule active par une voie de communication les gènes et donc protéines de l’apoptose. Les caspases sont les molécules (protéases) qui initient la voie de réaction de lyse cellulaire. Exemples: Cellules infectées, lésions irréparables à l’ADN ou RER (signal interne), fin de la vie utile de la cellule (queue de têtard, doigts palmés des mains, etc.) Exemples de l’Alzheimer et du cancer Apoptose de Canenorhabditis elegans (fig 11.20) 36 Questions! 1) La phase G1 est aussi appelée "Phase de synthèse d'ADN": V ou F 2) Dès la réplication de l'ADN terminée, la cellule est prête à se diviser: V ou F 3) Lors de la phase G2, la cellule se prépare à la division en vérifiant l'exactitude de la réplication de l'ADN: V ou F 4) Le signal de mort cellulaire envoyé lors de l'apoptose est toujours un signal provenant de l'intérieur de la cellule: V ou F 5) Les caspases sont les molécules qui initient la lyse cellulaire: V ou F 6) Chez C.elegans (Nématode), la protéine Ced-9 régule l'activation des protéines Ced-3 et Ced-4: V ou F Plan du cours 1) Cycle et mort cellulaire 2) Division cellulaire 3) La réplication de l’ADN 37  La division cellulaire Deux mécanismes de division cellulaire : 1. Cellules somatiques: MITOSE Cellule mère produit 2 cellules filles identiques génétiquement (des clones!) même nombre de chromosomes: bagage génétique complet chez l’humain = 46 chromosomes 2. Cellules reproductrices: MÉIOSE Cellule mère produit 4 cellules filles non identiques moitié des chromosomes = 23 (plutôt que 46) : bagage génétique incomplet. formation de spermatozoïdes et d'ovules = gamètes Division cellulaire: la mitose Mitose Suite d’évènements permettant la répartition de l’ADN répliqué de la cellule mère qui se divise en deux cellules « filles ». Lié à la reproduction asexuée La cellule: copie tous ses chromosomes (réplication de l’ADN) répartit les chromosomes répliqués aux extrémités (pôles) se divise en 2 cellules filles identiques qui ont 46 chromosomes non répliqués Cellules se divisant par mitose: Somatiques (corps) Diploïdes = 2 jeux identiques de chromosomes (2 x 23= 46) 2n 38  Division cellulaire: la mitose Mitose: étapes Les phases se déroulent graduellement et en continuité: Prophase Prométaphase Métaphase Anaphase Télophase Cytocinèse (chevauche les dernières étapes et termine la division) Division cellulaire: la mitose Début de la condensation de la chromatine en chromosome. Les Prophase chromatides sœurs d’un chromosome sont visibles et sont Prométaphase réunies par un centromère. Métaphase L’enveloppe nucléaire commence sa fragmentation. Anaphase Télophase Formation du fuseau de division: centrosomes migrent aux Cytocinèse pôles et microtubules se prolongent à partir des centrosomes. chromatides sœurs Nucléole Fin Interphase (G2) Prophase Prométaphase 39  Division cellulaire: la mitose Kinétochore: structure protéique située sur le centromère de chaque chromatide sœur d’un chromosome. Fuseau de division: réseau de fibre (microtubules) qui origine des centrosomes et qui structure la cellule pour la division. Les microtubules s’attachent aux kinétochores des centromères pour orienter les chromosomes au centre de la cellule et former la plaque équatoriale. Les microtubules s’allongent du centrosome par polymérisation (tubuline) et raccourcissent en se dépolymérisant. Division cellulaire: la mitose Les niveaux de condensation de l’ADN… 1) Chromatine: Molécule d’ADN enroulée avec des protéines (histones). Les molecules d’ADN d’une cellule est sous cette forme lorsque la cellule n’est pas en division. 2) Chromatide: Molécule de chromatine surenroulée sur elle-même et qui forme un bras de chromosome. L’ADN prend cette forme lorsque la cellule se prépare à la division. 3) Chromosome: Composé d’une chromatide (si non répliqué) ou de deux chromatides soeurs identiques (si répliqué pour la division) retenues par leur centromère. Le chromosome est le niveau ultime d’enroulement sur elle-même d’une molécule d’ADN. 40  Division cellulaire: la mitose Les copies se séparent et migrent chacune dans Chromatides sœurs une cellule. Chromosome Division cellulaire: la mitose Prophase Disparition totale de l’enveloppe nucléaire. Prométaphase Métaphase Les microtubules s’allongent et ont maintenant accès aux Anaphase kinétochores des centromères des chromatides sœurs de chaque Télophase chromosome. Cytocinèse chromatides sœurs Nucléole Fin Interphase (G2) Prophase Prométaphase 41  Division cellulaire: la mitose Prophase Les centrosomes sont aux pôles de la cellule. Prométaphase Métaphase Anaphase Chromosomes migrent au centre de la cellule à l’aide des microtubules liés aux kinétochores et sont alignés au centre de la Télophase cellule: plaque équatoriale Cytocinèse Nucléole Prométaphase Métaphase Division cellulaire: la mitose Centromère se sépare et libère les chromatides sœurs Prophase Prométaphase Les chromatides sœurs deviennent des chromosomes non Métaphase répliqués et migrent vers les pôles de la cellule à l’aide des Anaphase microtubules qui raccourcissent. Télophase Cytocinèse Nucléole Métaphase Anaphase 42  Division cellulaire: la mitose La membrane nucléaire se reforme pour chaque nouveau noyau. Prophase Prométaphase Les chromosomes se déroulent et forment à nouveau de la chromatine. Métaphase Anaphase Les microtubules sont dépolymérisés (désassemblés). Télophase Début de la division du cytoplasme (cytocinèse) Cytocinèse Nucléole Anaphase Télophase et cytocinèse Division cellulaire: la mitose Fin de la division du cytoplasme. Prophase Cellules animales: la membrane cellulaire se contracte à l’équateur Prométaphase (sillon) pour séparer la cellule mère en 2 cellules filles. Métaphase Anaphase Cellules végétales: il se forme une plaque cellulaire (paroi) à l’équateur de la cellule. Télophase Cytocinèse Nucléole Anaphase Télophase et cytocinèse 43  Cellules animales: la membrane Cellules végétales: il se forme cellulaire se contracte à l’équateur de une plaque cellulaire à la cellule mère (sillon de clivage) l’équateur de la cellule mère. pour la diviser en 2. https://www.youtube.com/watch?v=L61Gp_d7evo Cytocinèse égale et inégale Bourgeonnement de levures Reproduction asexuée : bourgeonnement. Le noyau se divise par mitose. Une petite excroissance de la cellule mère se forme. Elle reçoit la moitié du noyau, mais seulement une petite partie du cytoplasme. Avantage : cellules ne doivent pas doubler de taille entre chaque division. Oogenèse chez l’humain Chez la personne de sexe féminin, un seul ovule (ovocyte) est produit à la fois, avec suffisamment de nourriture stockée pour nourrir l'embryon en développement. La première division produit une grande cellule avec presque tout le cytoplasme et un petit globule polaire qui ne se développe pas davantage. Seule la grande cellule effectue la 2e division, à nouveau inégale. La grande cellule se développe en un ovocyte mature prêt à être fécondé. 44  Division cellulaire: la méiose Méiose: Suite d’évènements comportant deux divisions successives sans réplication d'ADN entre les divisions. À partir de la cellule mère, on obtient quatre cellules filles qui possèdent la moitié moins de chromosomes que la cellule mère. Liée à la reproduction sexuée qui permet une plus grande variation génétique que la reproduction asexuée (production de clones). Cellules se divisant par méiose: Cellules reproductrices (ovule et spermatozoïde) Haploïdes = 1 jeu de chromosomes (1 x 23= 23) 1n Division cellulaire: la méiose Méiose: Chez l’humain : 46 chromosomes ou 23 paires de chromosomes homologues o 1 paire : 1 chromosome vient du père, l’autre de la mère Mêmes gènes aux mêmes endroits (loci) mais expression différente. Ex: gène couleur yeux Transmission des gènes des parents aux enfants : chacun des parents fournit un chromosome de chaque paire But : Conserver toujours le même nombre de chromosomes malgré la fécondation Donc la méiose permet un passage de 2n n La fécondation assurera un contenu chromosomique complet Spermatozoïde x ovule = zygote ou œuf fécondé : n + n = 2n 45  p. 280 fig. 13.4 Division cellulaire: la méiose Méiose Méiose I : séparation des chromosomes homologues (2n n) 1. Appariement des chromosomes homologues (Prophase 1): les gènes correspondants sont alignés face à face. Enjambement: échange de segments entre chromosomes homologues: points de croisements deviennent des chiasmas. Produit des chromosomes recombinés. 2. Alignement des chromosomes recombinés sur la plaque équatorial (Métaphase 1) 3. Séparation des pairs de chromosomes homologues recombinés (Anaphase 1) 4. Télophase et cytocinèse 1 Production de deux cellules filles haploïdes possédant un chromosome répliqué et recombiné Méiose II : séparation des chromatides sœurs (n n) Cette division ressemble à la mitose (P2, M2, A2, T2, C2). Séparation des chromatides sœurs recombinées de chaque chromosome. Production de quatre cellules filles haploïdes. 46  http://www.youtube.com/watch?v=D1_- mQS_FZ0&feature=BF&playnext=1&list=QL&index=1 p. 287 fig. 13.10 Questions! 1) La mitose est liée à la reproduction sexuée: V ou F 2) Combien de chromosomes retrouve-t-on chez l'humain: 23 ou 46? 3) Dans les cellules, l'ADN se retrouve principalement sous la forme de chromosome: V ou F 4) C'est lors de l'anaphase de la mitose que les chromatides sœurs sont séparées: V ou F 5) La méiose comporte deux divisions successives sans réplication d'ADN entre les divisions: V ou F 6) Lors de la méiose, la première division permet de séparer les chromatides sœurs, alors que la deuxième sépare les chromosomes homologues: V ou F 7) Les étapes de la méiose II et de la mitose sont sensiblement les mêmes: V ou F 47  Plan du cours 1) Cycle et mort cellulaire 2) Division cellulaire 3) La réplication de l’ADN Structure ADN (RAPPEL) Un brin d’ADN: chaîne de nucléotides Un groupement phosphate relié au carbone 5’ Un groupement hydroxyle relié au carbone 3’ Une liaison covalente les 2 groupements Squelette désoxyribose-phosphate Bases azotées perpendiculaires au squelette Rue à sens unique!! 5’ 3’ Ordre des bases azotées sur une molécule d’ADN détermine la séquence des acides aminés d’une protéine!! 48  Structure ADN (RAPPEL) Double brin d’ADN: hélice 2 chaînes de nucléotides enroulées en spirale Les brins sont antiparallèle (rue à double sens…) Les squelettes désoxyribose-phosphate à l’extérieur et les bases azotées à l’intérieur Les 2 chaînes (brins) sont retenues par des liaisons d’hydrogène entre les bases azotées 5’ 3’ 3’ 5’ Extrémité 5’ Liaisons des bases appariées Extrémité 3’ Extrémité 3’ Extrémité 5’ 49  Structure ADN Complémentarité des paires de bases: Chaque base peut former une liaison d’hydrogène avec une autre base spécifique et complémentaire L’adénine (A) forme 2 liaisons H avec la thymine (T) seulement La cytosine (C) forme 3 liaisons H avec la guanine (G) seulement A s’apparie avec T et C s’apparie avec G Une purine et une pyrimidine permettent un diamètre uniforme de la molécule, ce qui ne serait pas le cas avec deux purines ou deux pyrimidines liées. Il est donc possible de prédire les bases du brin complémentaire d’un brin matrice! La double hélice d’ADN Pyrimidine Purine (Thymine) (Adénine) T A Les purines sont 2x plus larges que les pyrimidines Purine Pyrimidine (Guanine) (Cytosine) G C 50  Structure ADN  Les bases sont assemblées selon le principe d’appariement des bases. liaison hydrogène  L’information génétique se trouve A T encodée dans la séquence spécifique des 4 paires de bases. G C Loi de Chargaff : T A  La quantité de A = T  La quantité de C = G C G squelette sucre -phosphate Structure ADN Complémentarité des paires de bases: Un petit exercice : – Quelle est la séquence nucléotidique complémentaire de ce brin d’ADN ?? A T C C C A G T T A C 51  Réplication ADN Concept de base: Pourquoi la réplication de l’ADN? Lors de la division cellulaire, la cellule mère doit faire une « copie » de son matériel génétique (réplication), afin que les deux cellules filles aient le même matériel génétique! Cellule fille 46 non répliqués Cellule Mère 46 chromosomes Cellule répliqués fille 46 non répliqués Réplication ADN Concept de base: Comment se fait la réplication de l’ADN? Les montants de l’échelle représentent le squelette désoxyribose-phosphate et les barreaux les paires de bases azotées appariées. 1. Molécule de départ: 2 brins d’ADN complémentaires avec les bases appariées AT et CG. 2. Séparation des 2 brins: origine de réplication. 3. Chacun des 2 brins parentaux forme une matrice qui détermine l’ordre des nucléotides pour la nouvelle molécule d’ADN en formation. 4. Chacune des molécules filles se compose d’un brin parental et d’un nouveau brin! 52  Réplication ADN Les étapes détaillées de la réplication: 1. Hélicase: enzyme qui déroule la double hélice parentale 2. SSB: protéines fixatrices qui empêchent les 2 brins de s’enrouler à nouveau (single-strand binding proteins) 3. Primase: enzyme qui synthétise l’amorce (nucléotides d’ARN) par complémentarité avec les nucléotides du brin matrice d’ADN Amorce: courte chaîne de nucléotides d’ARN (10 à 15) qui indique le début de la synthèse 4. ADN polymérase III: enzyme qui synthétise le nouveau brin par la liaison complémentaire des nucléotides d’ADN de (5’) vers (3’). La synthèse est antiparallèle au brin matrice! Brin continu ou directeur: suit le déroulement de la fourche/hélicase Brin discontinu: à contre-courant de la fourche (fragments d’Okazaki) 5. ADN polymérase I: enzyme qui remplace les nucléotides d’ARN de l’amorce sur le nouveau brin par des nucléotides d’ADN complémentaires. 6. ADN ligase: enzyme qui assure que toutes les liaisons sont complètes entre les fragments. Questions! 1) La réplication de l’ADN est faite plusieurs fois dans un cycle de vie d’une cellule: V ou F 2) Il y a une seule origine de réplication à la fois par molécule d’ADN: V ou F 3) Les brins d’ADN ne sont pas répliqués à la même vitesse: V ou F 4) Des nucléotides d’ARN sont nécessaires dans le processus de la réplication: V ou F 5) L’ADN polymérase III synthétise un nouveau brin dans le sens 5’ vers 3’: V ou F 6) Les enzymes peuvent « lire » et « synthétiser » dans un seul sens: V ou F 53 Préparation et étude Lectures dans le Campbell: Chapitres 11, 12 et 47 (cycle cellulaire): p. 249-251; 258-262 et 1161-1162 Chapitre 13 (division): p. 279-287 Chapitre 16 (réplication): p. 346-365 Exercices dans le Campbell: Chapitre 11 (p. 253) # 5. Chapitre 12 (p. 275) # 1,2,5,6,7,9 et 10. Chapitre 13 (p. 292) # 1 à 7 (partiellement 6). Chapitre 16 (p. 367) # 2 à 5, 7 et 10. N’oubliez pas les exercices (cahier d’exercices) ! 54