Diversité de la biologie (UMR 6539) PDF

UMR 6539 - Laboratoire des Sciences de l'Environnement Marin Institut Universitaire Européen de la Mer Diversité de la biologie Diversité des procaryotes Pr. G Le Blay UMR 6539 - Laboratoire des Sciences de l'Environnement Marin Institut Universitaire Européen de la Mer ...

UMR 6539 - Laboratoire des Sciences de l'Environnement Marin Institut Universitaire Européen de la Mer Diversité de la biologie Diversité des procaryotes Pr. G Le Blay UMR 6539 - Laboratoire des Sciences de l'Environnement Marin Institut Universitaire Européen de la Mer Inscription sur moodle 2 SIAME Plan Introduction Définitions de la vie La cellule : unité du vivant Relations d’évolution chez les êtres vivants Évolution microbienne Diversité des Bacteria Diversité des Archaea  Etude des microorganismes Quelques noms, quelques dates Lucrèce, philosophe romain (98-55 av. J-C) a suggéré que des organismes vivants invisibles  maladies Antonie Van Leeuwenhoek Plaques d’argent Débat sur la génération spontanée (17ème- 19ème ) lentilles La génération spontanée serait l'apparition d'un être support vivant de la matière non vivante ou en décomposition Vis de mise au Francesco Redi (1626-1697) démontre en 1668 que les point asticots proviennent des mouches et non de la viande : biogénèse. Hypothèse confirmée par Pasteur en 1861. Microscope × 50 à 300 Premières observations (les animalcules) au microscope communiquées par écrit par Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723), drapier à Delft en 1676 à la Royal Society 10 (Londres) Quelques noms, quelques dates Expérience de Redi : viande et asticots - 1688 11  Où retrouve t’on les microorganismes? Fermentation Océans / Rivières / Sources Colonne d’eau Sources hydrothermal profondes Oxydation bactérienne Chalcopyrite CuFeS2 Sol Surface Subsurface Organismes supérieurs Rumen / Intestins (côlon) Bouche / plaque dentaire Peau Science biologique fondamentale vs Science appliquée 12 Les cellules procaryotes constituent la majeur partie de la biomasse terrestre Un microorganisme : organisme vivant invisible à l’œil nu (< 0,2 mm) Certains eucaryotes sont des microorganismes, tous les procaryotes sont des microorganismes Un procaryote : organisme unicellulaire dépourvu de noyau Les bactéries (Domaine Eubacteria) et les archées (Domaine Archaea) sont des procaryotes Un eucaryote (Domaine Eucaryote) : organisme unicellulaire ou pluricellulaire contenant un noyau et des organites intracellulaires 13 Un virus se caractérise par son incapacité à se multiplier seul par division. Il a besoin pour cela d'utiliser une cellule hôte, c’est un parasite intracellulaire obligatoire Virus = élément génétique mobile pouvant exister sous 2 formes : récepteurs - Extracellulaire : virus = virion= particule contenant de l’acide nucléique entouré de protéines (capside) : virion métaboliquement inerte - Intracellulaire : Initiation de la réplication virale, synthèse de copies du génome viral et des composants nécessaires à la capside Virus bactérien = phage ou bactériophage 1 – Adsorption du virion sur une cellule hôte 2 – Injection du virion ou de son acide nucléique dans la cellule hôte 3 – Détournement de la machinerie de biosynthèse de l’hôte pour produire les enzymes virales 4 – Réplication de l’acide nucléique viral 5 – Synthèse des protéines de la capside et Assemblage des protéines de la capside et empaquetage de l’acide nucléique 6 – Libération des virions matures hors de la cellule hôte 15  Génomes viraux -Génome des virus : ADN ou ARN (jamais les 2) -Classement en fonction de la nature de l’acide nucléique présent dans le virion linéaire ou circulaire linéaire Hôtes viraux et taxonomie - critères de classification Nature de l’hôte : animal, végétal, insecte, mycète, bactérie, archée Caractéristiques de l’acide nucléique : ADN ou ARN, simple ou double brin Symétrie de la capside : isocaédrique, hélicoïdale,... Présence d’une enveloppe ou non, sensibilité à l’éther Diamètre du virion ou de la nucléocapside Propriétés immunologiques Site intracellulaire de multiplication Maladie engendrée, caractères cliniques, mode de transmission 16  Structure des virus Taille des virus - Grandes variations de taille : de 20 nm (≈ ribosomes) à 300 nm (≈ plus petites bactéries) Observation en MEB, MET - Grandes variation de taille de génome (E. coli = 4,7 Mb) : -5 kb : H-1 parvovirus -32 kb Coronavirus (60-140 nm) -152 kb : Herpes simplex virus -168 kb : Bactériophage T4 -1,2 Mb : Mimivirus Capside Représentation schématique d’un virus -Un virion possède toujours une capside, composée de molécules protéiques = capsomères -Complexe « acide nucléique + protéines » nucléocapside 17  4 grands types morphologiques de capsides Modèle d'Icosaèdre Forme icosaédrique = faces triangulaires, apparence sphérique en microscopie électronique Forme hélicoïdale = cylindre protéique Papillomavirus humain à Virus à enveloppe = couche membranaire externe entourant la nucléocapside. Bicouche lipidique avec glycoprotéines incluses. structure icosaèdrique NB : virus sans membrane = virus nu Virus complexe = virus bactériens à tête icosaèdrique et queue hélicoïdale, par exemple. Virus complexe : bactériopha ge T4 Virus de la mosaïque du tabac à structure hélicoîdale 18 Enveloppes - Certains virus (animaux, quelques végétaux et bactériens) sont enveloppés -Enveloppes lipidiques  Virus plus sensibles (éther, détergents) Enzymes - Les virions sont métaboliquement inertes. Cependant, certains virions contiennent des enzymes qui participent au processus d’infection : Bactériophage T4 en microscopie électronique Différences entre cellules vivantes et virus : Organisation simple et acellulaire Pas d’ADN et d’ARN simultanément dans le même virion Incapacité à se répliquer en dehors des cellules 19  Définitions de la vie Xavier BICHAT, 1771-1802 Médecin : « La vie est l'ensemble des fonctions qui résistent à la mort » Jacques MONOD, 1910-1976 Biologiste moléculaire : « Le hasard et la nécessité » la vie est une propriété des objets dotés d’un projet (fonction), construits de l’intérieur, capacité de reproduction. André BRACK, 1940- Astrobiologiste : origine chimique de la vie 20  Qu’est ce qu’un organisme « vivant »? NB. La différenciation et le 21 mouvement ne sont pas toujours présents  La cellule : unité du vivant Caractéristiques d’une cellule Structures cellulaires : procaryote, eucaryote Constituants cellulaires Processus moléculaires (fonction codante)  Rôle des enzymes  Fonction codante  Traduction  Mutation et évolution  Potentiel génétique de la cellule Processus métaboliques (fonction « machine ») 22  Caractéristiques d’une cellule La cellule est l’unité fondatrice de la vie. La cellule unique est une entité isolée des autres cellules par une membrane et contenant une variété Cellule de structures internes et de composés chimiques. La membrane cellulaire ou cytoplasmique sépare la cellule de l’environnement extérieur. La cellule est une entité dynamique qui communique et échange du Environnement matériel avec l’environnement. 23  Structures cellulaires : procaryote, eucaryote Comparaison des cellules procaryotes et eucaryotes Eléments génétiques mobiles Rhabdovirus (Ø 0,065 µm = 65 nm) 1-10 µm (0,1 - >50 µm) Bacteriophage (Ø de la tête de chaque particule 0,065 µm) 10-100 µm (1 -200 µm) Les virus ne sont pas considérés comme vivants 24  colonies 200 µm 0,2 mm Oeil nu Eucaryotes X 10 20 µm X 10 Procaryotes 2 µm 2000 nm X 10 Bactéries 0.2-4 µm Organites Bacillus 2-4 µm 0,2 µm 200 nm MO M optique X 10 Cellules sanguines 5-20 µm 20 nm Molécules X 10 200 nm 2 nm Bactériophage T4 X 10 Membrane plasmique 5-10 nm 1 m = 106 µm 0,2 nm ME M électronique 109 nm Atomes 1010 Å 25 Lyse bactérienne par des bactériophages Microscope électronique à transmission Grossit jusqu’à 50 millions de fois 26  Microscope optique X 100 à x 1000 Observation d’un état frais Lb delbrueckii S. thermophilus Objectif 40 x 10 : X 400 http://www.inra.fr 27  Proteus vulgaris Flagelles A-Monotriche Objectif 100 x 10 : X 1000 B-Lophotriche C-Amphitriche D-Péritriche 28 ► Mobilité (gélose Mannitol-Mobilité-Nitrate) Les bactéries sont Ligne mobiles et se déplacent d’ensemencement dans la gélose (semi-molle) Ensemencement au centre du tube Mobilité - +  Structures cellulaires : eucaryote - noyau Réticulum réticulum endoplasmique rugueux appareil de Golgi Eucaryote Cellule animale 10-100 mm 30  Structures cellulaires : procaryote  noyau Paroi bactérienne Procaryote Cellule bactérienne 1-10 mm 31  Développée Christian Gram en 1884 décoloration ┼ Safranine  Constituants cellulaires Variations selon les conditions de croissance > au type cellulaire Composition chimique Bactérie 100 H2O : 70 à 90 % du poids total Si O Matière sèche : 10 Ca  50 % de carbone Abondance sur la croûte  20 % d’oxygène terrestre (%) Mg Na  14 % d’azote 1  8 % d’hydrogène  3 % de phosphore P H  1 % de soufre 0,1 S  1 % de potassium  1 % de sodium N C 0,01 Autres  2% : K, Ca, Mg, Na, 0,1 1 10 100 Zinc, Cobalt , Mn ….. Abondance dans les organismes vivants (%) Composés organiques 33 34  Constituants cellulaires Milieux de culture Apport en grande quantité : macro-éléments (macro-nutriments) C, H, O, N, S, P : constituants des glucides, lipides, protéines et acides nucléiques : présents en g/l de milieu de culture. K, Ca, Mg et Fe sont requis en mg/l de milieu de culture Apport en faible quantité : oligo-éléments =(micro-nutriments) Mn (superoxide dismutase..), Zn (ADN polymérase..), Co (Vit B12), Mo (nitrate réductase..), Ni (hydrogénase..), Cu (cofacteurs d'enzymes), ils sont requis en µg/l de milieu de culture 35  Constituants cellulaires La cellule est constituée principalement de 4 composés chimiques : les protéines (55% PS), les acides nucléiques (24% PS), les polysaccharides (5% PS, glycogène 3 % PS), et les lipides (9% PS, phospholipides ) qui sont des macromolécules. Dans le cytoplasme, se trouve la machinerie cellulaire permettant la croissance et le fonctionnement de la cellule le dispositif de codage : nucléoïde (ADN, support de l’information génétique) et les ribosomes. 36  Les lipides Les lipides sont des constituants essentiels des êtres vivants. Ils ont des structures différentes selon les domaines du vivant (Bacteria : et Eukarya : acides gras et chez les Archaea ; phytanyl) Les acides gras (20 différents) sont amphipathiques aux propriétés à la fois hydrophiles et hydrophobes Les lipides simples sont des acides gras liés au glycérol. Les triglycérides ont 3 résidus d’acide gras fixés à un glycérol Les lipides complexes sont des lipides simples qui contiennent des éléments additionnels comme le P (phospholipides), N, S ou autres hydrophobe (sucre, choline, sérine, éthanolamine). hydrophile 37  Comportement de molécules amphipatiques (exemple le savon) Queue hydrophobe Monocouche Tête hydrophile Tête hydrophile Tête hydrophile Bicouche Queue Tête hydrophile hydrophobe Milieu hydrophobe Mycelles 38 http://www.afblum.be/bioafb/membrane/membrane.htm Les différentes structures que peuvent prendre les phospholipides dans une solution aqueuse. Les cercles sont les têtes hydrophiles et les lignes ondulées sont les chaînes d'acides gras. 39 Les glucides Les glucides sont des composés organiques contenant du carbone, de l’hydrogène, et de l’oxygène dans les proportions 1 : 2 : 1. Les principaux glucides (30 monosaccharides) contiennent de 4 à 7 atomes de carbone. Ils sont généralement classés en fonction de leur degré de polymérisation (DP) Il n’existe pas de définition consensuelle, selon Lehninger (1981), on distingue : - les oses ou sucres simples ou monosaccharides (glucose, galactose, fructose..) - les oligoholosides ou oligosaccharides comportant 2 à 10 molécules d’oses reliées par des liaisons glycosidiques (ou osidiques), (lactose, FOS..) - les polyosides ou polyholosides ou polysaccharides, formés de longues chaînes linéaires ou ramifiées. (cellulose..) 40  Les glucides Ils sont classés en fonction de leur degré de polymérisation (DP) Monosaccharides - Oses Les pentoses (5C) sont particulièrement importants car ils forment le squelette des acides nucléiques (ribose). Les hexoses (6C) sont les constituants de base des polymères des parois cellulaires (N- acétylglucosamine) et des polymères de réserve 41 Les polysaccharides- polyosides Les polysaccharides sont des glucides constitués par la répétition de nombreuses unités monosaccharidiques, liées entre elles par des liaisons covalentes (liaisons glycosidiques). Les liaisons glucosidiques existent dans deux orientations géométriques (glucose)n : liaisons α et  (ex amidon et cellulose) Les polyasaccharides peuvent aussi être associés à d’autres classes de macromolécules comme les protéines (glycoprotéines) ou les lipides (glycolipides) comme les LPS des bactéries à Gram-négatif. 42 glucose