Cours 1 - Biologie Moléculaire - 2024/2025 - Université Paris-Est Créteil PDF

COURS a UE1 Biologie moléculaire 6789+ UNIVERSITÉ PARIS-EST CRÉTEIL 2024 / 2025  2 Important 3 Informations, remarques, mot du professeur 4 Astuce, moyens mnémotechn...

COURS a UE1 Biologie moléculaire 6789+ UNIVERSITÉ PARIS-EST CRÉTEIL 2024 / 2025  2 Important 3 Informations, remarques, mot du professeur 4 Astuce, moyens mnémotechniques, points méthodes 5 Vidéo PLAN du COURS I. INTRODUCTION..................................................................................................................................................3 II. DOMAINES & ROYAUMES DU VIVANT................................................................................................................4 III. ORGANISMES UNICELLULAIRES ET MULTICELLULAIRES......................................................................................7 IV. ADN, ARN ET PHENOTYPE.................................................................................................................................8 A Introduction................................................................................................................................................................................. 8 B Structure des acides nucléiques................................................................................................................................................... 9 A Les nucléotides......................................................................................................................................................................... 9 B ADN........................................................................................................................................................................................ 11 C ARN........................................................................................................................................................................................ 14 Les informations écrites rouge sont particulièrement importantes à retenir car elles ont déjà fait l’objet de QCM lors des précédents concours. Pas de calculatrice  SOMMAIRE I. INTRODUCTION 1 De quoi s’occupe la biologie moléculaire ? La Biologie Moléculaire s’occupe du monde du vivant. Une définition de “vie” n’est pas possible vu les nombreux organismes que nous pouvons étudier (voir virus vs bactéries vs eucaryotes). Par contre nous pouvons être d’accord sur le fait que toutes les cellules vivantes doivent croître, se diviser, et transmettre leurs caractéristiques à leur progéniture. 1 Ingrédients de base Pour croître, se diviser et transmettre leurs caractéristiques à leur progéniture, les cellules ont besoin de certains ingrédients de base ; - L’information génétique (ADN, ARN) - Mécanisme de production d'énergie (-> Métabolisme) - Appareils pour fabriquer plus de matière vivante (-> Ribosomes) - Une forme physique extérieure caractéristique - Identité ou ’’self’’ - Capacité à se reproduire - Adaptation 1 Caractéristiques communes aux êtres vivants Tous les organismes sont constitués de cellules : unités structurelles ou de compartiments qui ont plus ou moins les mêmes composants. - Les organismes unicellulaires sont constitués d'une seule cellule. - Les organismes multicellulaires sont constitués de plus d'une cellule qui souvent est spécialisée dans une fonction précise. Ilexiste toute une série d'entités qui possèdent de l'information génétique, mais qui ne possèdent pas elles-mêmes les mécanismes de la vie et ne peuvent exister sans une cellule hôte à parasiter. Les virus sont les plus complexes de ces éléments génétiques subcellulaires. Version 2024-2025 | UE1 | 3  SOMMAIRE II. DOMAINES & ROYAUMES DU VIVANT Pour classer les organismes, on les affecte d'abord à l'un des trois domaines de la vie, à savoir les eubactéries, les archéobactéries et les eucaryotes. Les cellules vivantes peuvent être divisées en deux types, la cellule procaryote, plus simple, et la cellule eucaryote, plus complexe. 1 Prokaryotes (archéobactéries & eubactéries) Lesarchéobactéries et les eubactéries sont toutes deux considérées comme des procaryotes car elles n'ont pas de noyau entourant leur chromosome. Leseubactéries sont les procaryotes les plus familiers car les membres de ce domaine ont tendance à causer des maladies humaines. D'autrescomposants cellulaires des archéobactéries notamment la paroi cellulaire, les enzymes qui synthétisent les protéines et les enzymes métaboliques, sont très différents de ceux des eubactéries et, dans certains cas, ressemblent aux eucaryotes. Les procaryotes sont les organismes dont les cellules ne sont pas divisées par des membranes en un noyau et un cytoplasme distincts. 4 | UE1 | Version 2024-2025  SOMMAIRE Les bactéries sont les cellules vivantes les plus simples et sont classées parmi les procaryotes. Les cellules bactériennes sont toujours entourées d’une membrane cellulaire ou cytoplasmique et une paroi cellulaire peut être présente. En général, chaque cellule bactérienne possède un seul chromosome circulaire avec un minimum de 300 jusqu’à 3000-4000 gènes. La plupart des bactéries sont haploïdes et ne possèdent qu'une seule copie de chaque gène. On peut utiliser les procaryotes pour apprendre le fonctionnement des cellules : - La conservation de l’information, sa transmission et l’utilisation entre les eucaryotes et les procaryotes a fait que les bactéries (comme l’Escherichia coli) sont encore utilisées comme des organismes modèles pour comprendre le fonctionnement des cellules plus complexes. - Dans la pratique nous utilisons beaucoup de protéines provenant des bactéries (enzymes de restriction, système CRISPR/Cas9 etc.). - Nous utilisons des vecteurs provenant des bactéries pour insérer de l’ADN exogène dans les cellules eucaryotes – vecteurs dérivés des plasmides. 1 Eucaryotes 1 Les domaines sont divisés en royaumes. Dans le domaine Eukarya, il existe quatre royaumes : Les protistes : accumulation artificielle d'eucaryotes primitifs, pour la plupart unicellulaires. pls cellules ensembles, pas un orgnaisme Les plantes : Elles possèdent à la fois des mitochondries et des chloroplastes et sont photosynthétiques. En général, elles ne sont pas mobiles et ont des parois cellulaires rigides faites de cellulose. Leschampignons possèdent des mitochondries mais pas de chloroplastes. Comme les plantes, les champignons ne se déplacent pas, mais ils n'ont pas de cellulose et leur paroi cellulaire est faite de chitine. Ils sont génétiquement plus proches des animaux que des plantes. Les animaux : Ils n'ont pas de chloroplastes mais possèdent des mitochondries. Diffèrent des champignons et des et des plantes par l'absence d'une paroi cellulaire rigide. De nombreux animaux sont mobiles. Les cellules eucaryotes sont plus grandes et plus compliquées que les procaryotes et sont subdivisées en compartiments séparés. Ce sont des cellules ayant des organelles délimitées par des membranes biologiques. Cellules eucaryotes sont plus grandes et plus compliqués et sont subdivisées en compartiments séparés Mitochondries et chloroplastes ont leur propre ADN, se sont des anciennes bactéries, elles sont apparu dans les organismes eucaryotes, avant d'être des organites dans une cellules, les mitochondries et chloroplastes étaient des cellules procaryotes libre qui ont été absorbées pas des cellules eucaryotes. ADN circulaire comme les procaryotes, possèdent leurs propre ribosomes. Chloroplastes et mitochondries se divisent par fission binaire. Elles ont leur propre membrane cellulaire. Version 2024-2025 | UE1 | 5  SOMMAIRE Cellules Eucaryotes ont plus des organelles délimités par des membranes biologiques 1 Virus 1 Les virus possèdent certaines des caractéristiques de la vie : Les virus sont des paquets de gènes dans des enveloppes protéiques. Les virus sont des parasites obligatoires qui doivent infecter une cellule hôte pour pouvoir se répliquer. Lesvirions contiennent des informations génétiques sous forme d'ADN ou d'ARN mais sont incapables de se développer ou de se diviser par elles-mêmes. Le génome d'un virus peut être constitué d'ADN ou d'ARN, mais un seul type d'acide nucléique est présent dans le virion d'un type de virus donné. Le bactériophage ou phage est un virus qu’infecte les bactéries. 1 Cycle de vie d’un virus : Les composants d'un nouveau virus sont synthétisés sous la direction de l'ADN viral mais en utilisant les mécanismes de synthèse de la cellule hôte. Tout d'abord, un virus se lie à la cellule hôte, puis insère son acide nucléique dans la cellule hôte. Lamachinerie synthétique de la cellule hôte fabrique alors les protéines et les acides nucléiques viraux en fonction de l'information génétique portée par l'ADN viral. Enfin, le virus provoque l'éclatement de la cellule, libérant les virus nouvellement synthétisés qui cherchent un nouvel hôte. La cellule hôte meurt à la suite de l'infection virale. Des autres créatures géniques : outre les organismes modèles, une variété de créatures géniques sont étudies en boi mol : - les plasmides et les viroïdes sont dépourvus d'une enveloppes protéiques - les transposons sont simplement des segments d'ADN (jaune) avec des extrémités spéciales (bleu) inséré dans une autre molécules D'ADN. 6 | UE1 | Version 2024-2025  SOMMAIRE III. ORGANISMES UNICELLULAIRES ET MULTICELLULAIRES 1 Organismes unicellulaires Tels que les bactéries ou les protozoaires, chaque cellule individuelle possède un génome complet et peut se développer et se reproduire ; par conséquent, chaque cellule est essentiellement la même. 1 Organismes multicellulaires Dans les organismes multicellulaires, certaines cellules se différencient pour remplir des taches spécifiques. Les cellules peuvent se différencient dans formes et tailles différentes pour assurer des fonctions spécialisées dans un organisme multicellulaire. Les globules rouges sont spécialisés dans l'échange de dioxyde de carbone et d'oxygène dans les tissus humains ; les fibroblastes fournissent un soutien à divers organes ; et les neurones transmettent des signaux de l'environnement au cerveau pour susciter une réponse. Le développement de rôles spécialisés par des cellules particulières ou des tissus entiers est appelé différenciation. 1 Points communs aux organismes uni- et multi- cellulaires Chaque cellule est entourée d'une membrane cellulaire composée de protéines et de phospholipides et contient une copie complète du génome (du moins au début de sa vie) polaire (chargée) Les molécules de phospholipides dans les membranes, ont un groupe de tête hydrophile fixé au glycérol par un groupe phosphate. Deux acides gras sont également fixés au glycérol par des liaisons ester. Chaque cellule vivante doit générer sa propre énergie et synthétiser ses propres macromolécules. Les nombreuses transformations moléculaires qui se produisent dans les cellules nécessitent plusieurs étapes qui sont fait par des protéines particulières appelées enzymes. Cette série coordonnée de réactions chimiques est un exemple de voie métabolique dans laquelle le produit d'une réaction devient le substrat de la réaction suivante. catalyseur : protéine : enzyme Toutes les cellules utilisent des protéines comme catalyseurs. => les enzymes Toutes les cellules stockent leurs informations héréditaires dans le même code chimique linéaire : l’ADN. Cette molécule est responsable de l’information génétique. Exérience de Griffith, 1928 => experience souris, bactérie souches S (smooth) et R (rugueuse) Il comprend qu'il y a des molécules capables de transformer des cellules R en cellules S Expérience de Avery-MacLeod-McCarthy => il a trouver qui était responsable de la transformation des bactéries R en S, c'est l' ADN, responsable de passer les information d'un a l'autre Version 2024-2025 | UE1 | 7  SOMMAIRE IV. ADN, ARN ET PHENOTYPE A INTRODUCTION 1 ADN & phénotype Travail de Gregor Mendel au XIX siècle sur les pois. Mendel va se concentrer sur des caractères discrets et bien définis plutôt que de mesurer des propriétés continuellement variables, comme la taille ou le poids → caractère Mendélien. Aujourd’hui nous attribuons chacune des caractéristiques examinées par Mendel à un seul gène. Les gènes sont des unités d'information génétique et chaque gène fournit les instructions pour une propriété de l'organisme en question. 1 Voies biochimiques Dans la vie réelle, la plupart des voies métaboliques comportent plusieurs étapes : - Chaque étape dans une voie métabolique est “contrôlée” par un enzyme. - L’information pour la production de chaque enzyme est contenue dans un gène. - Les gènes sont disposés le long d'un chromosome. 8 | UE1 | Version 2024-2025  SOMMAIRE - L’ADN est le constituent principal des chromosomes → les gènes sont constitués d'ADN. - L’ensemble des gènes représente le patrimoine génétique ou génotype qui est responsable du phénotype. 1 Dogme central de la biologie moléculaire Ou comment le génotype va déterminer le phénotype. - L’ADN est responsable du stockage de l’information. - L’ARN est responsable du transport de l’information. réplication, transcription, maturation de l'ARN puis traduction Aujourd'hui possible de passer de l'ARN à l'ADN, transcription inverse B STRUCTURE DES ACIDES NUCLEIQUES A Les nucléotides Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. Nucléotide : Base azotée + Pentose + Phosphate. !!!!! SUCRE + BASE AZOTEE = NUCLEOSIDE -> sans base azotée 1 2 4 3 5 3 vues d'un nucléotides relie le 3' d'avant au 5' d'après Dans la chaîne d’ADN ou d’ARN ; - Les nucléotides sont ordonnés le long d'une chaîne d'ADN ou d'ARN. - Les brins sont constitués de molécules de désoxyribose en alternance, reliées par des liaisons phosphodiesters de la position 5 'd’un désoxyribose à la position 3' du prochain. - À noter : Le groupe phosphate qui relie les sucres à une charge négative. - Les nucléotides sont liés en joignant le 5’-phosphate de l'un au groupe 3’-hydroxyle du suivant. - Il y a un groupe phosphate libre à l'extrémité 5’ de la chaîne et un groupe hydroxyle libre à l'extrémité 3’ → un brin d'acide nucléique a une polarité et la direction dans laquelle les bases sont lues a de l'importance. ADN et ARN sont des molécules à charge négative Version 2024-2025 | UE1 | 9  SOMMAIRE Savoir ou est l'azote (N) dans les différents - L’extrémité 5' est considérée comme le début d'un brin d'ADN ou d’ARN. Cela s'explique par le fait que l'information génétique est lue en commençant par l'extrémité 5'. 1 Bases azotées Les quatre bases de l'ADN sont l'adénine, la guanine, la cytosine et la thymine. !!! Dans l’ARN la thymine est remplacée par l’uracile. Les bases pyrimidiques contiennent des structures à un cycle, tandis que les bases puriques contiennent des structures à deux cycles. 10 | UE1 | Version 2024-2025  SOMMAIRE 1 Les sucres L'ADNconsiste en une paire de brins d'un squelette sucre – phosphate lié à un ensemble de bases pyrimidine et purine. Pour l’ADN le sucre est le désoxyribose - ribose manque un atome d'oxygène à sa position 2’. Différence : Pour l’ARN le sucre est le ribose. 5 4 1 Connaitre les structures 3 2 ribose et désoxyribose sont des pentoses B ADN L’ADN est responsable du stockage de l’information. Connaitre la séquence de l’ADN nous permet de prédire le phénotype de l’organisme. 1 Les sucres Les 4 désoxyribonucléosides (sucre + base) : DésoxyCytidine, DésoxyThymidine, DésoxyAdénosine, DésoxyGuanosine. phosphate : charge négative Les 4 désoxyribonucléotides (sucre + base + P) : DésoxyCytidine phosphate, DésoxyThymidine phosphate, DésoxyAdénosine phosphate, DésoxyGuanosine phosphate. Chaque Désoxyribonucléotide sous 3 formes : - Désoxyribonucléotide monophosphate, diphosphate ou triphosphate - dXMP, dXDP oud XTP (ex : dTTP pour desoxyThymidine triphosphate). Les désoxyribonucléotides triphosphates sont les substrats des ADN polymérases pour la synthèse des molécules d’ADN constituées le plus souvent de 2 brins (2 polymères associés). 1 Double hélice 1 Histoire : En 1952 Rosalind Franklin et Raymond Gosling obtiennent le diagramme de cristallographie aux rayons X de l'ADN. L'élucidation de la structure de l'ADN par James Watson et Francis Crick en 1953 a ouvert la porte à la compréhension des mécanismes par lesquels cette molécule fonctionne comme un agent de l'héritage. Version 2024-2025 | UE1 | 11  SOMMAIRE 1 Description de la structure : L'ADN forme une double hélice droite : deux chaînes de polydésoxyribonucléotides antiparallèles (car ils pointent dans des directions opposées) formant deux hélices coaxiales de 2 nm de diamètre et de 3,4 nm de pas. Dans une hélice droite, chaque brin tourne dans le sens des aiguilles d’une montre lorsqu’il s’éloigne de l’observateur. Pas : distance séparant 2 nucléotides dans la même position par rapport à l’axe (10 nucléotides par pas sur chacun des brins). Les enchaînements sucre-phosphate définissent deux sillons ("grand sillon" et "petit sillon »). La cohésion des deux brins est assurée par des liaisons hydrogènes formées entre les bases complémentaires (purique/pyrimidique). Les bases azotées de chaque brin dépassent au centre de la double hélice où elles sont appariées avec les bases de l'autre brin au moyen de liaisons hydrogène. L'adénine (A) d'un brin est toujours appariée à la thymine (T) de l'autre, et la guanine (G) est toujours appariée à la cytosine (C). lien cytosine guanine plus fort et demande plus d'énergie Chargaff’s Rule : dans une cellule la quantité de guanine doit être égale à la cytosine et la quantité d’adénine doit être égale à la thymine. 1 Plusieurs structures à double hélice sont en fait possibles pour l'ADN : La forme B est la plus stable et celle décrite par Watson et Crick. La forme A de la double hélice est plus courte et plus grosse que la forme B et comporte 11 paires de bases par tour d'hélice. Dans la forme A, les bases s'inclinent en s'éloignant de l'axe, le petit sillon devient plus large et moins profond, et le grand sillon devient plus étroite et plus profonde. L'ARN double brin ou les hybrides avec un brin d'ARN et un brin d'ADN forment généralement une hélice A. Forme Z : 1,84 nm diamètre. 12 pb par tour. Sens lévogyre (dans la cellule eucaryote en conditions physiologiques. Transcription). Cette forme est favorisée par une haute concentration de sel, par des séquences riches en répétitions GC ou G. 12 | UE1 | Version 2024-2025  SOMMAIRE 1 AND-H à triple hélice L’ADN –H ce n'est pas une double mais une triple hélice. L’ADN –H dépend de longues chaînes de purines dans un brin et, par conséquent, de pyrimidines uniquement dans l'autre brin. Pourformer le triangle C = G =C ou T=A=T, un proton supplémentaire (H+) est nécessaire pour l'une des liaisons hydrogène -> l'ADN-H est favorisé par les conditions acides. Quelques enzymes se lient spécifiquement aux régions de l'ADN-Z : ADAR-1 (Enzyme d'édition de l’ARN). L’AND-H bloque la transcription ou la réplication et il a été suggéré que sa formation joue un rôle dans la régulation de ces processus. 1 Les brins complémentaires de l’ADN permettent la duplication : L’ADNdouble brin peut être scindé en brins simples, chacun portant suffisamment d'informations pour recréer la molécule d'origine. L’appariement complémentaire des bases permet la synthèse de deux nouveaux brins, restaurant ainsi l'ADN double brin. Duplication de l’ADN est semi-conservative (1 brin ancien et un brin nouveau). 1 Chromosomes 1 Les composants des chromosomes : Les gènes sont des segments de grandes molécules d'ADN appelées chromosomes. Lechromosome possède quelques molécules protéiques accessoires, qui contribuent à maintenir sa structure → chromatine. La chromatine représente l’ensemble des matériaux qui constituent un chromosome. Lorsque l’ADN est compacté ou fortement enroulé, la région chromosomique constitue l’hétérochromatine ; lorsque l’ADN est plus lâche, la région constitue l’euchromatine. Les chromosomes des bactéries sont des molécules circulaires d'ADN double brin qui contiennent entre 3000-4000 gènes avec des régions intergéniques très courtes. Les chromosomes des organismes supérieurs sont des molécules linéaires d'ADN double brin. Cesderniers ont un centromère, généralement situé plus ou moins au milieu, et des structures appelées télomères aux deux extrémités. Lescentromères et les télomères contiennent des séquences d'ADN répétitives spéciales permettant leur reconnaissance par des protéines particulières. Lecentromère est utilisé lors de la division cellulaire, lorsque les chromosomes se répliquent car c’est le point d’attache des kinétochores : c’est la région où s’attachent les fibres du fuseau lors de la mitose et de la méiose. C’est une région qui présente au microscope une constriction. Version 2024-2025 | UE1 | 13  SOMMAIRE Les télomères sont d'une importance capitale pour maintenir la stabilité des chromosomes, ils sont localisés à l’extrémité des chromosomes. Ils sont repérables au niveau de l’ADN par la présence de séquences nucléotidiques particulières : des répétitions en tandem de séquences d’ADN. Homme =(TTAGGG)n. Les chromosomes eucaryotes ne sont visibles au microscope optique que lors de la division cellulaire. 1 La plaque métaphasique : L'ensemble des chromosomes présents dans les cellules d'un individu donné est appelé caryotype. Leschromosomes et les régions spécifiques des chromosomes peuvent être identifiés par leurs motifs de coloration après l'utilisation de colorants spécifiques qui mettent en évidence les régions dépourvues de gènes, appelées ADN non-codant. Cettetechnique de bandage chromosomique a été utilisée pour identifier les principales anomalies chromosomiques. C ARN L’ARN est responsables du transport de l’information 1 Les sucres 4 Ribonucléosides (sucre + base) : - Cytidine, Uridine, Adénosine, Guanosine. 4 Ribonucléotides (sucre + base+ P) : - Cytidine phosphate, Uridine phosphate, Adénosine phosphate, Guanosine phosphate. 14 | UE1 | Version 2024-2025  SOMMAIRE Chaque ribonucléotide sous 3 formes : - Ribonucléotide monophosphate, diphosphate ou triphosphate - XMP, XDP ou XTP (ex : UTP pour uridine triphosphate). Les ribonucléotides triphosphates sont les substrats des ARN polymérases pour la synthèse des ARN (molécules constituées d’un seul brin) 1 Les structures secondaires Epingle à cheveux RNA de transfert Version 2024-2025 | UE1 | 15