Ma Biologie - Théorie - 3ème Edition PDF

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BI OL pr OGI épar EGÉ at NÉ oi r RAL E eauxs ciencesmédi cal es,dent air esetbi omédi cal es F asc icul edet héor ie 3èmeédion  “Nothing in biology makes sense except in the light of evolution” Theodosius Dobzhansky La majorité des illustrations de cet ouvrage a été réalisée sur la plateforme biorender.com et est soumise au droit d’auteur. TABLE DES MATIERES Chapitre 1 La biologie ou la convergence des sciences naturelles.................. 1 A la recherche d’une définition de la vie............................................................................... 1 La microscopie moderne, un exemple de convergence des sciences naturelles au profit de la biologie............................................................................................................................... 2 La microscopie photonique................................................................................................ 3 La microscopie photonique à fluorescence....................................................................... 3 La microscopie électronique.............................................................................................. 3 L’organisation hiérarchique de la vie..................................................................................... 3 La nature de la biologie.......................................................................................................... 4 La nature de la matière.......................................................................................................... 4 Aspect biomédical concernant les isotopes........................................................................... 6 Le comportement chimique................................................................................................... 6 Les liaisons faibles.................................................................................................................. 8 Le comportement acide-base................................................................................................ 9 La nature chimique du vivant................................................................................................. 9 Les isomères......................................................................................................................... 11 Aspect biomédical concernant l’isomérie............................................................................ 12 L’exemple du thalidomide (Softénon).............................................................................. 12 Les réactions chimiques....................................................................................................... 13 Les lois de la thermodynamique.......................................................................................... 14 Le premier principe.......................................................................................................... 14 Le second principe............................................................................................................ 14 Le corollaire au second principe...................................................................................... 14 Questions............................................................................................................................. 14 Chapitre 2 Les théories de l’évolution........................................................... 15 Les marques de l’évolution biologique................................................................................ 15 Les preuves moléculaires................................................................................................. 15 Les preuves anatomiques................................................................................................. 15 Les preuves paléontologiques.......................................................................................... 16 Les preuves embryologiques............................................................................................ 18 Le Lamarckisme.................................................................................................................... 19 Le Darwinisme...................................................................................................................... 20 La sélection naturelle........................................................................................................... 21 La théorie synthétique de l’évolution.................................................................................. 21 Table des matières | i  Mise en évidence expérimentale de la sélection naturelle................................................. 22 Questions............................................................................................................................. 23 Chapitre 3 L’ère abiotique à l’origine des biomonomères............................ 24 L’eau..................................................................................................................................... 24 L’eau est un solvant « universel ».................................................................................... 25 Les molécules d’eau sont cohésives et adhésives........................................................... 26 L’eau a une capacité thermique massique élevée........................................................... 26 L’eau a une enthalpie de vaporisation élevée................................................................. 26 L’eau a une température d’ébullition élevée................................................................... 27 L’origine des molécules organiques..................................................................................... 27 Les glucides simples............................................................................................................. 29 Les dérivés de monosaccharides...................................................................................... 32 Les acides aminés................................................................................................................. 32 Les bases azotées................................................................................................................. 34 Les nucléosides et nucléotides............................................................................................. 35 Les acides gras...................................................................................................................... 35 Questions............................................................................................................................. 36 Chapitre 4 L’ère prébiotique à l’origine du vivant......................................... 38 Le « RNA world ».................................................................................................................. 38 Les acides ribonucléiques..................................................................................................... 38 Le « RNP world ».................................................................................................................. 39 Les protéines........................................................................................................................ 39 La structure des protéines............................................................................................... 40 L’acide désoxyribonucléique................................................................................................ 41 Les glucides complexes........................................................................................................ 42 Les disaccharides.............................................................................................................. 42 Les polysaccharides.......................................................................................................... 44 Les lipides............................................................................................................................. 45 Les acylglycérols............................................................................................................... 45 Les phosphoacylglycérols................................................................................................. 46 Les stérols......................................................................................................................... 47 Questions............................................................................................................................. 47 Chapitre 5 Les protocellules ou les prémices de la vie.................................. 49 Un modèle de protocellule................................................................................................... 50 La membrane plasmique...................................................................................................... 51 Table des matières | ii  La perméabilité membranaire.............................................................................................. 52 La diffusion....................................................................................................................... 53 L’osmose........................................................................................................................... 54 L’osmolarité extracellulaire et le volume cellulaire......................................................... 55 Le rôle des protéines membranaires dans le contrôle de la perméabilité...................... 56 Questions............................................................................................................................. 58 Chapitre 6 Les premières cellules.................................................................. 59 De l’ARN à l’ADN................................................................................................................... 59 La première cellule............................................................................................................... 60 Les eubactéries..................................................................................................................... 61 La paroi............................................................................................................................. 61 Le cytoplasme................................................................................................................... 63 La division cellulaire......................................................................................................... 64 Leurs interactions avec l’Humain..................................................................................... 64 Les archées........................................................................................................................... 65 L’écologie des bactéries....................................................................................................... 65 Questions............................................................................................................................. 66 Chapitre 7 Que sont devenus les concurrents de LUCA ?............................. 67 L’origine des virus................................................................................................................. 67 Qu’est-ce qu’un virus ?......................................................................................................... 67 Le cycle viral......................................................................................................................... 68 L’adsorption...................................................................................................................... 69 La pénétration et la décapsidation.................................................................................. 69 La réplication du génome viral......................................................................................... 69 La synthèse des composants viraux et l’assemblage....................................................... 70 La libération de nouvelles particules virales.................................................................... 70 Réplication du virus de la varicelle et du zona..................................................................... 70 Réplication du rhinovirus..................................................................................................... 70 Réplication des rétrovirus.................................................................................................... 70 Réplication du virus de la grippe.......................................................................................... 71 Questions............................................................................................................................. 71 Chapitre 8 L’origine des eucaryotes............................................................... 72 L’apparition du noyau et du réticulum endoplasmique...................................................... 72 Le cytosquelette d’actine..................................................................................................... 73 La structure du noyau.......................................................................................................... 74 Table des matières | iii  Le cytosquelette de filaments intermédiaires..................................................................... 74 La structure du réticulum endoplasmique........................................................................... 75 La structure de l’appareil de Golgi....................................................................................... 77 L’origine des organites multimembranés............................................................................ 77 La structure de la mitochondrie........................................................................................... 78 La structure du chloroplaste................................................................................................ 79 Quels sont les arguments en faveur de la théorie endosymbiotique.................................. 80 Questions............................................................................................................................. 81 Chapitre 9 Les fonctions du système endomembranaire.............................. 82 Le réticulum endoplasmique lisse........................................................................................ 82 Le réticulum endoplasmique rugueux................................................................................. 82 L’appareil de Golgi................................................................................................................ 83 Les lysosomes....................................................................................................................... 83 L’endocytose........................................................................................................................ 85 La pinocytose.................................................................................................................... 85 La phagocytose................................................................................................................. 85 L’endocytose médiée par récepteur................................................................................ 86 L’exocytose........................................................................................................................... 86 Questions............................................................................................................................. 87 Chapitre 10 Les fonctions de la mitochondrie................................................. 88 L’énergie chimique dans la cellule....................................................................................... 88 La respiration cellulaire........................................................................................................ 88 La glycolyse....................................................................................................................... 89 Aspect biomédical de la glycolyse........................................................................................ 90 La décarboxylation oxydative........................................................................................... 91 Le cycle de Krebs.............................................................................................................. 92 La chaîne respiratoire....................................................................................................... 93 La phosphorylation oxydative.......................................................................................... 94 La fermentation lactique...................................................................................................... 95 Le stockage temporaire du calcium..................................................................................... 97 La production d’espèces réactives de l’oxygène.................................................................. 97 Questions............................................................................................................................. 98 Chapitre 11 Le fonctionnement des chloroplastes.......................................... 99 La phase claire de la photosynthèse.................................................................................... 99 Le photosystème II......................................................................................................... 100 Table des matières | iv  Le photosystème I.......................................................................................................... 100 La photolyse de l’eau...................................................................................................... 101 La photophosphorylation cyclique................................................................................. 102 La chimiosmose chloroplastique.................................................................................... 102 La phase sombre de la photosynthèse............................................................................... 102 Questions........................................................................................................................... 103 Chapitre 12 L’évolution du métabolisme énergétique.................................. 104 L’apparition de la glycolyse................................................................................................ 104 L’apparition du cycle de Krebs........................................................................................... 104 L’apparition de la chaîne de transport des électrons........................................................ 105 Questions........................................................................................................................... 106 Chapitre 13 L’évolution du patrimoine génétique de la cellule eucaryote... 107 Comment sait-on que l’ADN porte l’information génétique ?.......................................... 107 Quelle est la structure tridimensionnelle de l’ADN ?........................................................ 110 L’acquisition des caractéristiques eucaryotiques.............................................................. 111 L’organisation du génome.................................................................................................. 112 La chromatine................................................................................................................. 112 La structure des gènes................................................................................................... 114 Questions........................................................................................................................... 115 Chapitre 14 L’expression du génome I – la transcription.............................. 116 Le dogme central de la biologie moléculaire..................................................................... 116 Le nucléole......................................................................................................................... 117 Les éléments de la transcription........................................................................................ 117 La machinerie transcriptionnelle des eubactéries......................................................... 117 La machinerie transcriptionnelle des archées et des eucaryotes.................................. 118 Le promoteur.................................................................................................................. 118 Le mécanisme transcriptionnel eubactérien..................................................................... 120 Le mécanisme transcriptionnel archéen et eucaryote...................................................... 120 Le contrôle épigénétique de la transcription..................................................................... 124 Les modifications chimiques des histones..................................................................... 124 Les modifications chimiques de l’ADN........................................................................... 125 La maturation de l’ARN...................................................................................................... 125 La maturation des ARN ribosomiques............................................................................ 125 La maturation des ARN de transfert.............................................................................. 125 La maturation des ARN messagers................................................................................. 126 Table des matières | v  L’épissage alternatif........................................................................................................... 127 Questions........................................................................................................................... 127 Chapitre 15 L’expression du génome II – la traduction................................. 128 Le système de chiffrement du code génétique.................................................................. 128 Le code génétique.............................................................................................................. 129 Aspect biomédical de l’universalité du code génétique.................................................... 131 L’insuline humaine......................................................................................................... 131 La production d’insuline humaine recombinante.......................................................... 131 Les rôles des ARN non codants.......................................................................................... 132 La biogenèse des ribosomes.......................................................................................... 132 Le chargement des ARNt................................................................................................ 133 L’aspect moléculaire de la traduction................................................................................ 133 Le ballottement.............................................................................................................. 136 L’aspect cellulaire de la traduction.................................................................................... 136 Les polysomes................................................................................................................ 136 Le repliement des protéines.......................................................................................... 137 L’adressage des protéines.............................................................................................. 138 L’adressage au noyau..................................................................................................... 138 L’adressage à la mitochondrie....................................................................................... 139 L’exportation co-traductionnelle................................................................................... 140 La dégradation des protéines obsolètes............................................................................ 141 Aspect biomédical concernant le protéasome.................................................................. 141 Questions........................................................................................................................... 142 Chapitre 16 La perpétuation du génome....................................................... 143 Le modèle réplicatif............................................................................................................ 144 La machinerie de la réplication.......................................................................................... 145 Le mécanisme de la réplication eubactérienne................................................................. 147 La fourche de réplication............................................................................................... 147 L’amorçage..................................................................................................................... 147 Le brin continu................................................................................................................ 148 Le brin discontinu........................................................................................................... 148 Les fragments d’Okazaki................................................................................................. 149 La ligation....................................................................................................................... 149 Le réplisome................................................................................................................... 150 Le mécanisme de la réplication eucaryote........................................................................ 150 Table des matières | vi  Le raccourcissement des télomères............................................................................... 150 L’allongement des télomères......................................................................................... 151 La correction sur épreuve.................................................................................................. 151 Aspect biomédical de l’ADN polymérase........................................................................... 152 Le choix des amorces..................................................................................................... 152 Les étapes de la réaction................................................................................................ 152 Le choix de l’ADN polymérase........................................................................................ 153 Applications de la PCR.................................................................................................... 153 Les mutations ponctuelles................................................................................................. 153 Questions........................................................................................................................... 154 Chapitre 17 La division cellulaire................................................................... 155 Les microtubules................................................................................................................ 155 Les protéines motrices....................................................................................................... 156 La mitose............................................................................................................................ 158 La prophase.................................................................................................................... 158 La prométaphase............................................................................................................ 160 La métaphase................................................................................................................. 160 L’anaphase...................................................................................................................... 161 La télophase................................................................................................................... 162 La cytodiérèse................................................................................................................ 163 Aspect biomédical de la mitose......................................................................................... 163 Questions........................................................................................................................... 163 Chapitre 18 Le cycle cellulaire et son contrôle.............................................. 165 Le cycle cellulaire................................................................................................................ 165 La progression du cycle cellulaire – la transition G2/M..................................................... 166 La progression du cycle cellulaire – un modèle général.................................................... 169 Le contrôle qualité du cycle cellulaire................................................................................ 171 Le point de restriction.................................................................................................... 171 Le point de contrôle en G2............................................................................................. 172 Le point de contrôle en M.............................................................................................. 172 Les proto-oncogènes et les gènes suppresseurs de tumeurs............................................ 173 La mort de la cellule........................................................................................................... 174 La nécrose....................................................................................................................... 174 L’apoptose...................................................................................................................... 174 Questions........................................................................................................................... 176 Table des matières | vii Chapitre 19 La transmission du patrimoine génétique I – l’origine des gamètes.................................................................................................... 177 La méiose............................................................................................................................ 177 La ploïdie........................................................................................................................ 177 La variation de la quantité d’ADN.................................................................................. 178 Les divisions méiotiques..................................................................................................... 178 La division réductionnelle.............................................................................................. 179 La recombinaison intrachromosomique........................................................................ 180 La première recombinaison interchromosomique........................................................ 181 La division équationnelle................................................................................................ 182 La seconde recombinaison interchromosomique.......................................................... 182 La non-disjonction chromosomique.............................................................................. 183 La méiose non germinale............................................................................................... 184 Questions........................................................................................................................... 184 Chapitre 20 Les éléments d’embryologie générale....................................... 185 Les cellules souches............................................................................................................ 185 La différenciation et la détermination............................................................................... 186 L’embryologie descriptive.................................................................................................. 187 La spermatogenèse........................................................................................................ 187 L’ovogenèse.................................................................................................................... 188 La fécondation................................................................................................................ 188 La segmentation............................................................................................................. 190 La blastulation................................................................................................................ 191 L’implantation................................................................................................................ 192 La gastrulation................................................................................................................ 193 Les mécanismes de l’embryologie..................................................................................... 194 L’induction...................................................................................................................... 194 La signalisation cellulaire................................................................................................ 195 Le clonage........................................................................................................................... 196 Aspect biomédical du clonage et des cellules souches...................................................... 198 Les cellules souches pluripotentes induites................................................................... 198 L’application des iPSC..................................................................................................... 199 Questions........................................................................................................................... 200 Chapitre 21 L’émergence des multicellulaires et la diversité du vivant........ 201 La multicellularité............................................................................................................... 202 Table des matières | viii  La cladistique et la classification du vivant........................................................................ 202 La biodiversité du vivant.................................................................................................... 204 Le groupe des Excavata.................................................................................................. 205 Le groupe des Alveolata................................................................................................. 206 Les groupes des Stramenopila et des Rhizaria............................................................... 207 Le groupe des Archaeplastida........................................................................................ 207 Le groupe des Amoebozoa............................................................................................. 207 Le groupe des Opisthokonta.......................................................................................... 208 Chapitre 22 Les Archaeplastides.................................................................... 209 Une brève classification des végétaux............................................................................... 209 Les bryophytes............................................................................................................... 209 Les ptéridophytes........................................................................................................... 210 Les gymnospermes et les angiospermes........................................................................ 210 Les tissus des végétaux...................................................................................................... 210 Le tissu fondamental...................................................................................................... 210 Le tissu vasculaire........................................................................................................... 210 Le cycle de vie des végétaux.............................................................................................. 212 Le cycle de vie des bryophytes....................................................................................... 213 Le cycle de vie des ptéridophytes.................................................................................. 214 Le cycle de vie des spermatophytes............................................................................... 215 Aspect biomédical des végétaux et du molecular pharming............................................. 217 Chapitre 23 Le fonctionnement des métazoaires supérieurs........................ 218 Les tissus des métazoaires................................................................................................. 218 L’adhésion.......................................................................................................................... 218 Le tube digestif................................................................................................................... 219 La cavité buccale............................................................................................................ 220 L’estomac....................................................................................................................... 221 Les glandes annexes de l’intestin................................................................................... 222 L’intestin grêle................................................................................................................ 223 Le côlon.......................................................................................................................... 226 Chapitre 24 La transmission du patrimoine génétique II – la génétique....... 227 L’hérédité........................................................................................................................... 227 Le monohybridisme............................................................................................................ 227 Le croisement de contrôle............................................................................................. 229 Les conclusions modernisées de Mendel........................................................................... 230 Table des matières | ix  Le génotype et le phénotype............................................................................................. 230 Les outils de la génétique................................................................................................... 231 Le carré de Punnett........................................................................................................ 231 L’arbre généalogique...................................................................................................... 231 Le dihybridisme.................................................................................................................. 231 La génétique non formelle................................................................................................. 233 La dominance incomplète.............................................................................................. 233 La codominance............................................................................................................. 234 L’hérédité polygénique.................................................................................................. 235 L’épistasie....................................................................................................................... 236 La liaison du genre et de l’hérédité.................................................................................... 237 Le chromosome sexuel chez l’Humain............................................................................... 238 La compensation de dose............................................................................................... 239 La cartographie génétique................................................................................................. 240 Chapitre 25 La transmission du patrimoine génétique III – la génétique des populations................................................................................. 243 Les variations génétiques en lien avec l’évolution............................................................. 243 Les fréquences alléliques................................................................................................... 244 L’effet fondateur............................................................................................................ 245 L’effet « bottle neck ».................................................................................................... 246 La sélection......................................................................................................................... 246 La spéciation....................................................................................................................... 248 Chapitre 26 Les interactions entre les êtres vivants et avec leur environnement........................................................................... 250 La dynamique des populations.......................................................................................... 250 La croissance de la population humaine........................................................................ 252 La capacité limite de la Terre......................................................................................... 253 La dynamique des écosystèmes......................................................................................... 253 Le cycle du carbone........................................................................................................ 254 Le cycle de l’azote.......................................................................................................... 255 L’impact de la perturbation du cycle de l’azote sur la santé humaine.......................... 256 Table des matières | x Chapitre 1 La biologie ou la convergence des sciences naturelles Depuis la naissance du 21ème siècle, la biologie vit une révolution technologique qui lui permet de répondre à des questions dont le seul énoncé n’était pas envisageable il y a seulement quelques décennies. La séquence complète du génome humain a été établie et les génomes d’autres organismes sont séquencés à des rythmes effrénés. Les mécanismes moléculaires sont décrits avec de plus en plus de finesse et des liens entre des chapitres de la biologie autrefois complètement indépendants sont maintenant établis. Nous sommes en passe de décrire les mystères de l’organisation complexe des organismes multicellulaires et de comprendre comment une cellule unique donne naissance à l’incroyable variabilité morphologique et fonctionnelle des cellules qui nous composent. La révolution technologique, permettant d’accomplir ce qui était un exploit ou de la science-fiction jusqu’il y a peu, concerne la biologie moléculaire, la bioinformatique, l’acquisition et l’analyse d’images, les techniques analytiques et est au croisement de la biologie, de la chimie, de la physique et des mathématiques. La biologie est donc clairement la science vers laquelle converge les informations et les technologies issues de l’ensemble des sciences naturelles. Qu’on le veuille ou non, la biologie n’est qu’une application particulière de la chimie et de la physique. Chaque activité biochimique qui se déroule dans une cellule, aussi complexe soit elle, obéit aux lois de la chimie. Chaque processus biologique est gouverné par les principes de la thermodynamique. La matière biologique n’est en rien différente à celle rencontrée à d’autres endroits de l’univers, hormis que son niveau de complexité est probablement le plus élevé permettant ainsi l’acquisition par émergence de propriétés particulières. Pour la comprendre au mieux, notre appréhension de la biologie se doit donc d’être aussi multidisciplinaire que possible. Cette vision n’enlève rien à l’intérêt qu’elle suscite mais ouvre les yeux sur la manière dont elle doit être abordée, au travers, lorsque cela est possible du prisme des sciences naturelles. Précisons – L’émergence est un concept philosophique né au 19ème siècle qui stipule qu’une propriété est qualifiée d’émergente si elle découle de propriétés plus fondamentales tout en restant nouvelle. A partir d’un certain niveau de complexité et d’organisation, de nouvelles propriétés apparaissent sans pouvoir trouver leur origine dans les seules propriétés plus fondamentales. Les propriétés émergentes résultent des modalités d’interactions de chacune des composantes et ne peuvent être déduites de la simple observation de ces dernières. A la recherche d’une définition de la vie Dans sa signification la plus large, la biologie est l’étude des êtres vivants. Cependant, la vie souffre de l’absence d’une définition simple. Pourtant, le dictionnaire (Larousse en ligne) nous en fournit une : « caractère propre aux êtres possédant des structures complexes, capables de résister à diverses causes de changement, aptes à renouveler, par assimilation, certains de leurs éléments constitutifs, à croître et à se reproduire ». Admettons-le, cette définition est insuffisante pour décrire complètement et de façon univoque la vie. En effet, en s’y référant exclusivement, une usine pourrait être considérée comme vivante alors qu’une mule (issue du croisement d’un âne et d’une jument) ne pourrait pas l’être puisque incapable de se reproduire en raison de sa nature hybride. Quel(s) critère(s) peut-on dès lors utiliser pour dire qu’une chose est vivante ? Sept critères sont généralement utilisés à cette fin : Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 1  L’organisation cellulaire – tous les organismes vivants sont constitués d’une ou de plusieurs cellules. La cellule est l’unité fondamentale du vivant. La complexité ordonnée – même si la complexité et l’ordre sont des notions relatives, chaque organisme vivant respecte ce critère. La réponse à l’environnement – quelle que soit la nature de cette réponse, la dilatation de la pupille en présence de lumière, l’orientation du tournesol vers le soleil, tous les êtres vivant répondent à des stimulus. La croissance, le développement et la reproduction – chaque être vivant naît dans un état différent de celui dans lequel il se trouve à sa mort. L’évolution de cet état initial vers l’état final est assurée par la croissance (le changement de dimension) et le développement (le changement de forme). Chaque espèce vivante naturelle est susceptible de se reproduire et de transmettre des caractères à sa descendance. La transformation de l’énergie – tous les organismes vivants utilisent certaines formes d’énergie (lumineuse, chimique, …) pour accomplir des travaux qui sont en réalité des modifications de la nature de l’énergie utilisée. Le maintien d’une homéostasie – les êtres vivants se doivent de maintenir leurs caractéristiques internes (pH, concentrations ioniques, température, …) entre des limites compatibles avec leur mode de vie et différentes des caractéristiques du milieu dans lequel ils vivent. L’adaptation évolutive – chaque organisme interagit avec son environnement et avec d’autres êtres vivants, qui le poussent à s’adapter dynamiquement pour assurer sa survie. Ces 7 critères nous permettent donc de circonscrire le vivant. Cependant, même si les 6 derniers critères peuvent effectivement être appliqués au vivant, cette application ne peut pas être exclusive. Seul le premier critère, l’organisation cellulaire, peut être spécifiquement attribué au vivant. Ce critère est d’ailleurs à la base de la théorie cellulaire proposée par les travaux pionniers de Robert Hooke (première description d’une cellule), Matthias Jakobs Schleiden et Theodor Schwann (énoncent que tous les êtres vivants sont faits de cellules), Rudolf Virchow (énonce que chaque cellule provient d’une cellule préexistante) et Louis Pasteur (démontre que la génération spontanée est erronée). Précisons – La théorie cellulaire est le fondement le plus admis de la biologie. Elle respecte quelques principes élémentaires : (1) tout organisme vivant est composé d’au moins une cellule, (2) la cellule est l’unité de base du vivant, elle dispose d’une certaine vie autonome, (3) toute cellule provient d’une autre cellule par division cellulaire, (4) la cellule possède une individualité grâce à sa membrane plasmique qui règle ses échanges, et (5) la cellule renferme l’information (ADN) nécessaire à son fonctionnement. La cellule est donc l’unité structurale, fonctionnelle et reproductrice de la vie. La microscopie moderne, un exemple de convergence des sciences naturelles au profit de la biologie La microscopie a joué un rôle prépondérant dans l’évolution de la biologie. Si on ignore avec exactitude qui en fut l’inventeur, on sait qu’il a subi de nombreuses améliorations au cours des ans pour aboutir au microscope composé utilisé par Robert Hooke pour observer et décrire les cellules. De nos jours, les microscopes utilisés en biologie n’ont plus rien de commun avec l’outil utilisé par Hooke ou ses contemporains. Les microscopes modernes sont des exemples parfaits de la convergence entre la physique, la chimie et les mathématiques au Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 2 profit de la biologie. Pour utiliser au mieux ces outils il est important de ne pas négliger ces sciences naturelles. La microscopie photonique La microscopie photonique (ou optique) consiste en l’observation d’un objet au travers de lentilles de verre placées à proximité de l’échantillon (l’objectif) et d’un oculaire situé près de l’œil. La résolution maximale de cette outil scientifique dépend de la longueur d’onde de la lumière utilisée pour réaliser l’observation. Au mieux elle est de l’ordre de 0,2µm. Cette microscopie permet l’observation directe d’objets inertes ou vivants si leur contraste est suffisant et leur épaisseur suffisamment fine pour laisser passer la lumière au travers. Dans le cas contraire, l’objet doit subir des étapes de préparation qui impliquent une fixation, une inclusion, une section (~5µm d’épaisseur) et une coloration. Une adaptation de la microscopie photonique par un dispositif physique permettant d’exploiter les changements de phase de la lumière qui traverse l’échantillon permet de s’affranchir, dans certains cas, de la préparation de l’échantillon. Ce dispositif valut le prix Nobel de physique à son inventeur Frederik Zernike) en 1953. Il s’agit de transformer les changements de phase de la lumière en un contraste observable. La microscopie photonique à fluorescence Les progrès les plus récents dans le domaine de la microscopie photonique sont liés au développement de la microscopie à fluorescence. Cette technologie repose sur l’usage de molécules fluorescentes capables de se lier spécifiquement aux structures que le scientifique souhaite observer. Dans ce cas particulier, la structure est observée indirectement par le biais de la lumière émise par la sonde fluorescente. Il est donc possible dans ce cas d’observer des objets dont la taille est inférieure au pouvoir de résolution de la microscopie photonique. Certaines molécules fluorescentes utilisées sont compatibles avec une utilisation dans une échantillon vivant. D’autres, nécessitent une fixation et une perméabilisation des cellules. La microscopie électronique La microscopie électronique a été développée dans les années 1930 et permet d’atteindre une résolution plus élevée en raison de la nature de l’onde utilisée pour réaliser l’observation. Les faisceaux d’électrons ont en effet une longueur d’onde plus courte que la lumière, ce qui permet d’atteindre une résolution de l’ordre de 0,2nm. En microscopie électronique, l’échantillon est soumis à plusieurs contraintes qui nécessitent une préparation particulière. En effet, l’impact du faisceau électronique à haute énergie peut dégrader l’échantillon, les électrons doivent se propager dans le vide pour éviter leur dispersion, l’échantillon doit être suffisamment mince pour permettre la transmission des électrons, l’échantillon doit être conducteur, l’échantillon doit être suffisamment contrasté. L’organisation hiérarchique de la vie Le monde vivant est organisé hiérarchiquement (Figure 1), chaque niveau se construit sur la base du niveau précédent en faisant l’acquisition de nouvelles propriétés. Bien entendu, le premier niveau du vivant, la cellule, se construit lui aussi sur la base de niveaux plus fondamentaux et donc non vivants. En ce sens, la vie est donc aussi une propriété émergente. Les atomes, les éléments fondamentaux de la matière telle que nous la connaissons, s’unissent dans un agencement spécifique en molécules simples. Des biomolécules complexes, les macromolécules, naissent par leurs combinaison, puis s’assemblent en structures microscopiques dénommées organites. Ces dernières sont intégrées dans l’unité fondamentale du vivant, les cellules. Dans les organismes multicellulaires, des cellules semblables s’unissent pour créer des unités fonctionnelles de base, les tissus. Plusieurs tissus Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 3 différents se regroupent en organes qui constituent les unités structurelles et fonctionnelles. Les organes sont regroupés dans les systèmes qui composent les organismes. Plusieurs individus d’une même espèce et regroupés géographiquement constituent une population. L’ensemble des populations d’un type particulier d’organisme constitue l’espèce, dont tous les membres sont interféconds. L’ensemble des populations partageant un même lieu de vie constitue une communauté. L’écosystème, quant à lui, est constitué d’une communauté et de son habitat. La biosphère est l’ensemble des écosystèmes terrestres. Figure 1 : Organisation hiérarchique du vivant de l’atome jusqu’à la biosphère. Adapté de MacMillan Higher Education. La nature de la biologie Les sciences tendent à améliorer nos connaissances ou notre savoir-faire par le raisonnement, l’expérimentation et l’observation dont la succession constitue la démarche scientifique. La démarche scientifique repose sur le postulat que la nature fondamentale de l’univers ne change pas avec le temps, qu’elle est actuellement identique à celle qui a concourut à sa naissance et qu’elle restera inchangée dans le futur. En d’autres termes, cela revient à dire que les lois qui gouvernent l’univers sont immuables. La démarche scientifique repose sur une observation initiale qui mène à émettre une hypothèse. Celle-ci permet d’établir des prédictions pouvant être testées expérimentalement. L’observation attentive et impartiale des résultats expérimentaux permet de valider ou invalider l’hypothèse posée et d’éventuellement la modifier. L’itération de ces étapes permet d’acquérir une vision de plus en plus exacte de la nature. On le voit clairement, l’observation, et donc la description, sont au centre de la démarche scientifique et sont rencontrées dès les balbutiements de la biologie lorsque les naturalistes de l’époque tentaient de classer le vivant. Précisons – Une hypothèse est une explication plausible proposée à un phénomène préalablement observé. Cette explication est susceptible d’être vraie et est retenue tant qu’elle n’a pas été contredite. L’hypothèse est mise à l’épreuve par l’expérience dans laquelle sont inclus des témoins ou contrôles permettant de valider cette dernière. Lorsqu’on s’intéresse à des systèmes complexes, les expériences mettent en œuvre des modèles réductionnistes permettant de diviser les systèmes en leurs composantes individuelles. La nature de la matière « Poussières d’étoiles », c’est le titre d’un ouvrage écrit par Hubert Reeves en 1984. Ce titre, à lui seul résume que notre composition chimique trouve son origine dans la gigantesque explosion qui a marqué la naissance de l’univers il y a 13 milliards d’années, le big bang. La matière élémentaire est composée de structures appelées atomes qui représente la limite inférieure de la divisibilité de la matière. Le premier modèle proposé pour décrire l’atome date de 1913 (Niels Bohr, prix Nobel de physique en 1922) et constitue encore un bon point de départ pour comprendre la théorie atomique. Ce modèle (Figure 2) représente l’atome comme un nuage de particules subatomiques chargées négativement, les électrons, évoluant Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 4 autour d’un noyau. Ce modèle s’inspire de la description du système solaire avec les planètes gravitant autour du soleil. Dans le modèle de Bohr, le noyau dense est constitué de particules subatomiques, les neutrons non chargés et les protons chargés positivement, regroupées sous le terme de nucléons. Les nucléons constituent la majorité de la masse de l’atome. La nature de la matière élémentaire est définie par le nombre de protons contenus dans l’atome correspondant. Il est représenté par le numéro atomique (Z). Le nombre de nucléons (neutrons et protons) est défini par le nombre de masse (A) qui correspond à la somme du nombre de neutrons (N) et du nombre de protons (Z). Le nombre d’électrons est égale au nombre de protons et, en conséquence, un atome est électriquement neutre. Le comportement chimique de la matière élémentaire est, quant à lui, le résultat du nombre des électrons et de leur configuration. Figure 2 : Représentation schématique du modèle atomique de Bohr. L’élément est identifié par le nombre de protons présent dans le noyau (numéro atomique). Précisons – Le nombre de protons d’un atome (Z) définit l’élément auquel il appartient. Le nombre de masse (A) représente le nombre de nucléons (protons et neutrons). Une relation unit donc Z, A et N. A=Z+N Dans un atome, les charges positives du noyau sont contrebalancées par les charges négatives des électrons qui gravitent autour du noyau dans des régions appelées orbitales. Les électrons sont maintenus dans ces orbitales grâce à des forces d’attractions exercées par les protons. Des forces extérieures peuvent supplanter les forces d’attraction ce qui entraîne la perte d’un ou de plusieurs électrons. Dans d’autres circonstances, un atome peut également gagner un ou plusieurs électrons (Figure 3). Cette modification du nombre des électrons entraîne un déséquilibre du nombre des charges entre le noyau et les orbitales, et l’apparition d’une charge électrique nette. L’atome devient alors un ion négatif (anion) ou positif (cation). Un élément est constitué de plusieurs espèces atomiques partageant le même nombre de protons mais pouvant varier par le nombre de leurs neutrons (Figure 3). On parle alors d’isotopes de cet élément. Dans la nature, la majorité des éléments existe sous la forme d’un mélange d’isotopes. Prenons l’exemple du carbone (C) dont tous les atomes contiennent 6 protons, et dont la majorité contient 6 neutrons, il s’agit du carbone-12 noté 12C en raison de la présence de 6 protons et de 6 neutrons. A côté de cet isotope très abondant, existe naturellement du carbone-13 (13C) et du carbone-14 (14C) contenant respectivement 7 et 8 neutrons. L’accroissement de la taille du noyau rend celui-ci instable, ce qui le pousse à se scinder en éléments de nombre atomique inférieur. Cette fission libère de l’énergie qui s’exprime sous la forme d’un rayonnement ionisant. On parle alors d’isotope radioactif. Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 5 Figure 3 : Modification du nombre de protons ou d’électrons de l’atome de sodium (Na) pour former respectivement un isotope (24Na) et un ion (Na+). Aspect biomédical concernant les isotopes Le principe du PET (Positon Emission Tomography) consiste à injecter au patient une molécule marquée radioactivement et appelée radiotraceur. La nature chimique de cette molécule est choisie en fonction de son comportement biologique puisqu’elle est supposée s’accumuler le plus spécifiquement possible dans les régions de l’organisme que l’on souhaite observer. Le traceur porte un ou plusieurs atomes radioactifs tels que le fluor ( 18F ou 15O) qui ont la propriété d’émettre un positon. Un positon est un anti-électron, l’anti-particule de l’électron. Dès qu’il rencontre un électron dans le tissu environnant, le positon est annihilé et produit deux photons qui sont détectés par l’équipement d’imagerie. Cette détection permet de définir le lieu d’émission et la concentration en radiotraceur au site d’émission (Figure 4). Figure 4 : Exemples d’images du système nerveux. (A) 18F-FDG PET. Les régions les plus claires représentent les zones hypermétaboliques. (B) Image différentielle avec un individu contrôle du même âge. Images issues de https://doi.org/10.1016/S1474-4422(16)30140-5 Le comportement chimique Si la nature de la matière est dictée par la composition du noyau atomique, son comportement chimique est la conséquence de ses électrons. Ce sont leur nombre et leur disposition sur leurs orbitales qui déterminent la réactivité de l’atome. Si on ramène la taille du noyau atomique à celle d’une balle de golf, l’électron le plus proche du noyau serait situé à plus de 1 km. On comprend donc que la majorité du volume atomique est occupée par du vide et que dans une liaison chimique, les noyaux ne sont jamais assez proches pour interagir. Ce sont donc les électrons qui assurent cette interaction. Les électrons possèdent une énergie potentielle en Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 6 raison de l’attraction qu’ils subissent de la part du noyau. En conséquence, plus l’électron est éloigné du noyau et plus son énergie potentielle augmente, à l’instar d’un objet dont on augmente l’altitude. Les orbitales les plus éloignées du noyau contiennent donc des électrons plus énergétiques. Les électrons de la couche électronique périphérique sont désignés par le terme électrons de valence. Ils sont à la base de la réactivité des atomes. En ce qui concerne les atomes impliqués dans les biomolécules, la couche électronique externe peut contenir au maximum 8 électrons (à l’exception de l’hydrogène). Le comportement chimique d’un élément est le reflet du nombre d’électrons sur cette dernière couche. Les éléments qui disposent de 8 électrons de valence sont inertes. Il s’agit des gaz rares. Les éléments caractérisés par 7 électrons de valence (les halogènes) sont extrêmement réactifs et tendent de faire l’acquisition d’un électron supplémentaire pour saturer leur couche électronique externe. A l’inverse, les éléments ne possédant qu’un seul électron de valence, bien qu’également très réactifs, cherchent quant à eux à perdre leur unique électron de valence. On peut en déduire une généralisation : les atomes tendent à obtenir une couche électronique périphérique saturée. C ’est la règle de l’octet. La réactivité des atomes peut mener à la formation d’une liaison chimique à l’origine de molécules. La liaison chimique peut être le résultat de la mise en commun d’une ou plusieurs paires d’électrons. On parle alors de liaison covalente. Les électrons partagés sont attirés simultanément par les 2 noyaux des atomes impliqués dans la liaison. L’électronégativité est une grandeur physique qui décrit la capacité d’un atome à attirer les électrons lors de la formation d’une liaison chimique. Conventionnellement, une électronégativité égale à 4.0 est attribuée au Fluor, l’élément le plus électronégatif. La différence d’électronégativité entre deux atomes unis par une liaison chimique permet d’identifier trois types de liaisons : les liaisons covalentes apolaires, les liaisons covalentes polaires et les liaisons ioniques. Dans une liaison de 2 atomes identiques, l’affinité des atomes pour les électrons est bien entendu identique. Les électrons sont alors attirés avec la même force vers chaque noyau. Par extension, lorsque la différence d’électronégativité entre les atomes liés est inférieure ou égale à 0.4, le nuage électronique sera relativement symétrique et on parlera de liaison covalente apolaire. Lorsque les atomes impliqués dans la liaison chimique ont une électronégativité nettement différente et comprise entre 0.4 et 1.7, les électrons sont délocalisés vers l’atome le plus électronégatif. Dans ce cas, bien que la molécule soit électriquement neutre, la distribution des charges n’est pas uniforme et des régions partiellement chargées négativement apparaissent à proximité de l’atome le plus électronégatif. A l’inverse, des charges partielles positives sont observées à proximité de l’atome le moins électronégatif. Une telle liaison est appelée covalente polaire. Les charges partielles y sont représentées par la lettre  portant la charge + ou – en exposant. La molécule portant ce type de liaison peut être elle-même caractérisée de polaire si elle possède un moment dipolaire non nul (Figure 5). Figure 5 : Le moment dipolaire (p) est le vecteur représentant la répartition des charges partielles. La molécule d’eau est une molécule polaire en raison de son moment dipolaire non nul alors que le CO 2 est une molécule apolaire malgré l’existence de charges partielles. Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 7  Précisons – Un moment dipolaire est une représentation vectorielle de la répartition des charges partielles. Le moment dipolaire existe à la condition que le centre de gravité des charges partielles positives (représenté par le point bleu de la figure ci-dessus) soit distinct du centre de gravité des charges partielles négatives (représenté par le point rouge de la figure ci-dessus). La liaison ionique est formée par une paire d’atomes, typiquement un métal et un non-métal, possédant une différence d’électronégativité supérieure à 1.7. Le métal donne un ou plusieurs électrons au non-métal. Il en résulte la formation d’un ion positif et d’un ion négatif. La liaison ionique résulte de l’attraction électrostatique entre l’anion et le cation et est typiquement rencontrée dans les sels. Les liaisons faibles A côté des liaisons fortes (covalentes ou ioniques), il existe des liaisons d’intensité faibles comme les liaisons hydrogènes ou les liaisons de van der Waals. Une liaison hydrogène est une interaction intra- ou intermoléculaire impliquant un atome d’hydrogène portant une charge partielle positive puisque lié à un atome très électronégatif (O, N ou F). Cette interaction est majoritairement électrostatique et s’établit entre la charge partielle positive de l’hydrogène et une charge partielle opposée située sur une autre molécule ou sur un autre groupement chimique polaire (Figure 6). Bien que considérée comme une liaison faible, la force de cette interaction est relativement élevée. La liaison de van der Waals est une interaction électrostatique de faible intensité qui s’établit entre des molécules ou régions apolaires. Il peut s’agir d’interactions dipôle-dipôle entre les charges partielles opposées sans intervention d’atome d’hydrogène, ou encore de forces de dispersion appelée forces de London. Dans ce cas, le mouvement aléatoire des électrons sur leur orbitale donne une forme probabiliste au nuage de distribution des électrons. A tout moment, la densité électronique peut ne pas être répartie de façon équitable sur l’ensemble de la molécule. Il en résulte une très légère polarisation de la molécule pour un bref moment (Figure 6). L’instant d’après, la densité électronique est redistribuée et fait apparaître d’autres charges à d’autres endroits de la molécule. La liaison hydrophobe est l’interaction brève et à très courte distance entre les charges opposées transitoires. C’est donc le nombre de ces interactions qui constitue leur force. Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 8 Figure 6 : Les liaisons faibles se répartissent en liaisons hydrogène et en liaisons de van der Waals. La liaison hydrogène est une liaison électrostatique impliquant un atome d’hydrogène (bleu) uni à un atome très électronégatif (O, N ou F - rouge). Les liaisons de van der Waals incluent les interactions dipôle-dipôle et les forces de London. Les forces de dispersion de London sont le résultat d’interactions électrostatiques faibles en raison de la densité aléatoire des électrons (jaune) faisant apparaître des charges partielles opposées faibles et transitoires. Le comportement acide-base L’eau est formée par la liaison covalente d’atomes d’hydrogène à un atome d’oxygène. Certaines de ces liaisons peuvent se rompre spontanément. Dans ce cas, un noyau d’hydrogène (un proton, H+) quitte la molécule sans être accompagné par l’électron qui était partagé avec l’oxygène. Habituellement, l’ion H+ s’associe à une autre molécule d’eau et forme l’ion hydronium H3O+. Le reste de la molécule d’eau a conservé l’électron partagé et est donc chargé négativement ; il constitue un ion hydroxyde OH-. Ce processus porte le nom d’ionisation. A 298 K la concentration molaire de l’eau pure en H+ est égale à 10-7 M. L’échelle des pH exprime cette concentration en H+ en solution sous la forme d’un logarithme négatif : pH = -log[H+] Le pH de l’eau pure est donc égale à – log (10-7), soit 7.0. Ce pH est conventionnellement le signe d’un pH neutre. Un soluté qui augmente la concentration en H+ parce qu’il en libère est un acide. A l’inverse, un soluté qui réduit la concentration en H+ parce qu’il se combine à ceux- ci est une base. La nature chimique du vivant La matière est constituée de 117 éléments naturels dont 41 sont retrouvés dans la matière vivante. Les éléments les plus fréquents y sont O, C, H, N, Ca et P. Ces différents éléments Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 9 peuvent s’unir l’un à l’autre dans un ordre précis pour former des groupements. Il existe peu de groupements pertinents en biologie. Le groupement amino (NH) est formé d’un atome d’azote lié à au moins un atome d’hydrogène. Le groupement carbonyle (C=O) se compose d’un atome de carbone associé à un atome d’oxygène par une liaison covalente double. En raison de la différence d’électronégativité entre l’O et le C, ces atomes portent des charges partielles et le groupement peut agir comme accepteur de liaison hydrogène. Le groupement hydroxyle (OH) unit un atome d’hydrogène à un atome d’oxygène. Ce groupement est polaire en raison de la différence d’électronégativité qui existe entre le O et le H. Des charges partielles s’établissent donc sur ces atomes et leur donnent la possibilité d’établir des liaisons hydrogènes. Dans les conditions biologiques, le groupement hydroxyle n’est pas ionisable. Le groupement phosphoryle (P=O) se compose d’un atome de phosphore associé à un atome d’oxygène par une liaison covalente double. En raison de la différence d’électronégativité entre l’O et le P, ces atomes portent des charges partielles et le groupement peut agir comme accepteur de liaison hydrogène. Le groupement sulfhydryle (SH) est constitué d’un atome de soufre uni à un atome d’hydrogène. Deux groupements sulfhydriles peuvent réagir ensemble dans des conditions oxydantes pour former un lien covalent entre les atomes de soufre, il s’agit du pont disulfure. Dans les conditions biologiques, le groupement sulfhydryle n’est pas ionisable. Le groupement méthyle (CH3) est formé d’un atome de carbone substitué par 3 atomes d’hydrogène. L’atome de valence résiduel du carbone peut se lier à des résidus de nature variable. Ce groupement n’est bien entendu pas polaire. Ces groupements acquièrent une fonction particulière lors de leur participation dans une molécule biologique. En effet, en fonction de l’association éventuelle de ces groupements entre eux et de la nature des atomes auxquels ils sont liés, des fonctions différentes peuvent apparaître. Ces fonctions vont donner les propriétés chimiques des molécules qui les portent. La fonction amine est formée d’un groupement amine uni soit à deux atomes d’hydrogène et à une chaîne hydrogénocarbonée (R-NH2), soit à deux chaînes hydrogénocarbonées (R-NH-R’). On parlera dans le premier cas d’amine primaire et dans le deuxième d’amine secondaire. Cette fonction se comporte comme une base puisque le N peut accepter un proton pour donner naissance à la forme ionisée -NH3+ ou >NH2+. Les amines sont trouvées sur les acides aminés et dans les bases azotées des nucléotides. La fonction aldéhyde (-CH=O) est un groupement carbonyl placé en fin de chaîne. Pour cette raison, il est uni à un carbone et à un hydrogène. Cette fonction est observée dans les sucres. La fonction cétone (>C=O) est un groupement carbonyl où le carbone n’est pas en fin de chaîne et est donc uni à deux carbones par ses 2 derniers électrons de valence. Cette fonction peut elle aussi être rencontrée dans les sucres. La fonction alcool (-OH) est formée d’un groupement hydroxyle lié à un squelette hydrogénocarboné linéaire. Cette fonction est trouvée, entre autres, dans les alcools et les sucres, et explique leur solubilité dans l’eau. Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 10  La fonction thiol (-SH) est constituée d’un groupement sulfhydryle porté par un carbone. Cette fonction est retrouvée dans des molécules comme la cystéine (un acide aminé), le glutathion ou le coenzyme A. La fonction amide est constituée des groupements amino et carbonyle. Réactionnellement, elle est le résultat d’une condensation entre les fonctions amine et carboxyle, comme lors de la formation des liaisons peptidiques. La fonction carboxyle (-COOH) est un ensemble formé par les groupements carbonyle et hydroxyle portés par le même carbone. Il s’agit d’une fonction acide et donc susceptible de perdre le proton du groupement -OH pour s’ioniser en -COO-. Cette fonction est présente dans un grand nombre de biomolécules : acides gras, acides aminés, … La fonction phosphate (-OPO32-) est composée d’un groupement phosphoryle dont l’atome de phosphore est uni à 3 hydroxyles. Un de ceux-ci, après avoir perdu son hydrogène, lie le phosphore à la molécule qui porte la fonction. Les deux hydroxyles résiduels peuvent être ionisés et portent alors des charges négatives. La structure de cette fonction est celle de l’acide phosphorique. Elle peut être portée par des acides aminés et des sucres modifiés. La fonction ester est constituée d’un groupement carbonyl uni à un oxygène dans une chaîne hydrogénocarbonée. On identifie cette structure dans les triglycérides ou les phospholipides. Les isomères Plusieurs molécules peuvent partager la même formule moléculaire sans pour autant avoir les mêmes propriétés biologiques en raison de leur configuration. De telles molécules de composition identique mais de configurations différentes sont des isomères l’une de l’autre (Figure 7). On distingue les isomères de constitution et les isomères de disposition spatiale (ou stéréoisomères). La première catégorie regroupe les molécules qui possèdent la même composition atomique mais dont l’enchaînement des atomes est différent. Les molécules qui appartiennent à la seconde catégorie diffèrent par leur configuration spatiale. On y distingue les énantiomères et les diastéréoisomères. Les énantiomères sont des molécules dont l’une est l’image spéculaire, et donc non superposable, de l’autre. L’exemple le plus commun d’énantiomèrie est celui des acides aminés. Les diastéréoisomères sont des stéréoisomères qui ne sont pas l’image l’un de l’autre dans un miroir. Les sucres peuvent être des diastéréoisomères entre eux, tout comme les acides gras cis et trans. Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 11 Figure 7 : Catégorisation des différentes formes d’isomérie. Adapté de wikipedia.fr, image de TouzaxA, licence Creative Commons. Aspect biomédical concernant l’isomérie Lors de la synthèse d’un composé chimique destiné à la santé humaine, une importance particulière doit être portée à la pureté des produits. On pense directement à la présence de molécules résiduelles du procédé de synthèse ou de produits secondaires de la synthèse. Cependant, une autre catégorie de molécules peut être considérée comme une impureté. Il s’agit des isomères et particulièrement les stéréoisomères. Un mélange d’énantiomères en proportions égales est appelé mélange racémique. Les deux formes énantiomériques peuvent avoir des effets biologiques différents ou même antagoniques. En effet, les molécules biologiques avec lesquelles doivent interagir les médicaments sont énantiopures et interagissent donc différemment avec les différents énantiomères d’un composé actif. L’exemple du thalidomide (Softénon) Un exemple tragique d'effets différents de deux énantiomères est celui du thalidomide. Cette substance utilisée dans différents médicaments possède en effet deux énantiomères (Figure 8). La configuration R de la molécule a des effets sédatifs et anti-tumoraux, tandis que la configuration S a des effets tératogènes. Le mode d’action de cet isomère sera abordé plus tard (voir page 141). Avant sa mise sur le marché, le thalidomide a subi des tests de toxicité, ainsi que des essais cliniques chez l’Humain, qui n’ont démontré aucune toxicité pour cette molécule. Des premiers cas de malformations congénitales apparaissent cependant 5 ans après sa mise sur le marché. Le thalidomide a pour formule C13H10N2O4. Cette molécule possède un atome de carbone asymétrique, le carbone 10 qui porte la fonction isoindole. Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 12 Figure 8 : Structure chimique des énantiomère S et R du thalidomide. La molécule est donc dite chirale car elle existe sous la forme de deux énantiomères R et S. Comme les deux formes sont interconvertibles in vivo, l’effet tératogène n’aurait pas été évité en n’administrant qu’une seule des deux formes. Les réactions chimiques Une réaction chimique est une transformation de la matière au cours de laquelle les espèces chimiques qui constituent la matière voient leur nature modifiée. Les espèces chimiques qui subissent la réaction sont appelées les réactifs et celles qui sont créées par la réaction sont les produits. Une réaction chimique peut libérer de l’énergie, elle est alors qualifiée d’exergonique et est spontanée. Par contre, une réaction qui consomme de l’énergie est dite endergonique. Classiquement, une réaction chimique implique la rupture et la formation de liaisons chimiques. Certaines réactions associent à ces modifications des liaisons chimiques la perte ou le gain d’électrons, on parle alors d’oxydation ou de réduction. Dans un système biologique l’une ne va pas sans l’autre, les électrons sont échangés entre les espèces moléculaires en fonction de leur potentiel redox. Dans une réaction, la molécule la plus oxydante (potentiel redox E° le plus grand) capturera un ou des électrons à la molécule la plus réductrice (potentiel redox E° le plus petit). La molécule la plus oxydante subira donc une réduction (elle gagnera des électrons) tandis que la molécule la plus réductrice subira une oxydation (elle perdra des électrons). Précisons – Les molécules susceptibles de subir une oxydo-réduction existent sous la forme d’un couple redox (par exemple O2/H2O). Chaque couple comporte un oxydant et un réducteur. Ox + ne- → Red l’oxydant (Ox) subit une réduction Red → Ox + ne- le réducteur (Red) subit une oxydation D’autres permettent la liaison de molécules entre elles concomitamment avec la production d’une molécule d’eau. Dans ce cas, il s’agit d’une réaction de condensation, alors que la réaction inverse est une hydrolyse. Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 13 Les lois de la thermodynamique La thermodynamique est une branche de la physique qui vise à expliquer les transformations des formes d’énergie. L’énergie peut exister sous différentes formes dont les principales sont l’énergie mécanique, l’énergie thermique, l’énergie lumineuse ou l’énergie chimique. Tous les jours, nous vivons la conversion d’une forme d’énergie en une autre. Il suffit de penser au déplacement d’un véhicule à moteur qui convertit l’énergie chimique du carburant en une énergie mécanique. Au niveau biologique, ces transformations existent également. En permanence vous convertissez l’énergie chimique des aliments ingérés en énergie mécanique et en énergie thermique. Ces transformations d’énergie obéissent à 2 principes. Le premier principe Le premier principe de la thermodynamique est aussi appelé principe de conservation de l’énergie. A l’instar de la loi de Lavoisier qui prédit que la quantité de matière reste constante au cours d’une réaction chimique, le premier principe de la thermodynamique stipule que l’énergie interne d’un système se conserve lorsque le système est isolé. Dans un tel système, les formes d’énergie peuvent être converties l’une en l’autre mais la quantité totale d’énergie reste constante. Le second principe Le second principe établit l’irréversibilité des phénomènes physiques. Dans ce principe, tout en respectant le premier principe, les transformations d’une forme d’énergie en une autre s’accompagnent de l’apparition d’une fraction inutilisable de cette énergie pour effectuer un travail. De nouveau, pensons à notre vie quotidienne pour illustrer ce principe. Lorsque vous bricolez et tentez de percer un trou dans un mur à l’aide d’une perceuse électrique, vous convertissez de l’énergie électrique en une énergie mécanique qui entraîne la rotation de la mèche. Pendant ce temps, une fraction de l’énergie électrique est convertie en une énergie mécanique inutilisée pour percer le mur, c’est le bruit émis par l’outil. Il en va de même de la chaleur qui se dégage du moteur électrique. Il s’agit d’une énergie thermique qui n’intervient pas dans le travail effectué. En biologie, la forme d’énergie dissipée en réponse au second principe de la thermodynamique est très souvent de l’énergie thermique. C’est cette énergie perdue qui rend les phénomènes physiques irréversibles. Le corollaire au second principe Le corollaire au second principe de la thermodynamique est l’accroissement de l’entropie lors d’un changement de forme d’énergie. L’entropie peut être résumée comme étant une désorganisation, une imprévisibilité, un désordre. C’est donc une mesure du degré de désordre à l’échelle microscopique. En guise d’exemple, on peut aisément comprendre que l’énergie thermique produite par une transformation d’énergie en respectant le second principe engendre un accroissement de l’agitation thermique. Il s’agit donc bien d’un accroissement du désordre. Questions 1. Donnez un exemple concret d’émergence en biologie. 2. D’après les connaissances acquises dans ce chapitre, un globule rouge et un spermatozoïde peuvent-ils être considérés comme des organismes vivants ? 3. En utilisant un tableau périodique, déterminez le nombre d’électrons de valence pour les atomes suivants : O, N, C, H. 4. Les isotopes 14N ou 15N ont-ils le même nombre d’électrons de valence ? 5. Un isotope radioactif peut-il être un ion ? Chapitre 1 – La biologie ou la convergence des sciences naturelles | 14 Chapitre 2 Les théories de l’évolution A partir du 18ème siècle, pendant une centaine d’années, une révolution bouleversa l’idée que nous nous faisions de l’univers, du monde vivant et de nous-mêmes. Les scientifiques de l’époque ont pris conscience que le monde subissait de lentes variations au cours du temps. Notre conception actuelle du monde est fondée sur cette lente évolution qui n’a obéi à aucun programme préétabli et qui s’est déroulée progressivement selon une série de phénomènes naturels commandés par les lois des sciences naturelles. Au 17ème siècle, on estimait dans la chronologie de Ussher que l’univers était apparu 4 004 ans (!) avant notre ère. En 1743, le naturaliste français Buffon estima l’âge de l’univers d’abord à 96 000 ans, puis à 500 000 ans. Emmanuel Kant fut plus audacieux et proposa en 1755 que l’âge de l’univers avait des centaines de millions d’années. Dans leurs écrits, Buffon et Kant suggéraient déjà une évolution de l’univers physique. Le terme « évolution » désigne une variation continue au cours du temps et le plus souvent dans un sens déterminé. L’évolution « biologique » est donc la variation au cours du temps de la diversité et de l’adaptation des populations. Les marques de l’évolution biologique L’observation des êtres vivants révèle de nombreux points communs dans leur organisation, dans leur fonctionnement, dans leur biochimie et dans leur anatomie. L’évolution permet d’expliquer ces ressemblances, tout comme ces dernières permettent de corroborer la théorie de l’évolution. Les preuves moléculaires Tous les êtres vivants fonctionnent sur les mêmes bases moléculaires (ADN, ARN, protéines…) et utilisent le même code génétique comme nous le verrons dans le Chapitre 15. Le séquençage de génomes animaux et végétaux, et leur comparaison par des outils de bioinformatique, font apparaître des régions très similaires (Figure 9) suggérant un lien de parenté. Figure 9 : Alignement multiple d’un segment des séquences primaires des histones H1 humaine (Homo sapiens), du chimpanzé (Pan troglodyte), de la souris (Mus musculus), du rat (Rattus norvegicus) et de la vache (Bos taurus). Les preuves anatomiques La comparaison des anatomies d’espèces vivantes ou de fossiles permet de mettre en évidence des ressemblances dont l’explication la plus simple est l’évolution à partir d’un ancêtre commun possédant une ébauche du point commun. Les différentes espèces d'un embranchement (chordés, arthropodes, mollusques, …), malgré des aspects extérieurs parfois très différents, partagent un plan d'organisation invariable. L'homologie des organes entre Chapitre 2 – Les théories de l’évolution | 15 tous les membres d'un groupe biologique se retrouve à n'importe quel niveau de la classification (Figure 10). Par exemple, chez tous les tétrapodes, les membres sont organisés de la même façon : ceux d'une baleine, d’une chauve-souris, d’un chien ou de l’humain comportent les mêmes os, même si leur forme est très variable et qu'ils sont employés à des fonctions complètement différentes. Figure 10 : Illustration des métacarpes de plusieurs tétrapodes (de gauche à droite : orang-outan, chien, chèvre, porc, tapir, cheval). Adapté de wikipedia.fr, image de Toony, licence Creative Commons. Les preuves paléontologiques Les fossiles témoignent de la disparition de certaines espèces d'êtres vivants depuis l'apparition de la vie sur Terre. Certaines espèces sont appelées des formes « intermédiaires » entre différents groupes et permettent de mettre en évidence le phénomène d'évolution. Par exemple, l'archéoptéryx (-156 millions d’années) serait une forme de transition entre certains dinosaures et les oiseaux. Figure 11 : Cladogramme montrant les liens évolutifs entre les différents groupes des reptiles. En effet, cet animal disposait de caractères, propres aux oiseaux modernes, qui suggèrent qu’il était homéotherme et capable d’effectuer un vol battu. Il était munis d’ailes aux proportions similaires à celles des oiseaux modernes et équipées de plumes asymétriques aptes au vol et de plumules. Il possédait aussi des clavicules soudées formant une fourchette (furcula) robuste où venaient s’insérer les muscles du vol. Comme chez les oiseaux modernes, l’orteil Chapitre 2 – Les théories de l’évolution | 16 de l’archéoptéryx est retourné en position basse sur la patte, et son bassin est allongé et orienté vers l’arrière avec l’os du pubis et de l’ischion parallèles. Par contre, l’archéoptéryx ne disposait pas d’un véritable bréchet (crête sternale) où s’insèrent également les muscles pectoraux nécessaires au vol. Son vol battu était donc probablement limité en durée. A l’inverse de ce qui est observé chez les oiseaux, où les plumes caudales (rectrices) sont fixées en éventail au pygostyle (dernier os du croupion), celles de l’archéoptéryx étaient alignées et fixées par paires aux vertèbres. Le reste du squelette de l’archéoptéryx ressemble de façon étonnante à celui de petits dinosaures bipèdes (théropodes). Il est aujourd’hui admis que les oiseaux appartiennent au même clade que certains dinosaures (Figure 11). Il s’agirait d’un groupe frère de l’ordre des crocodiliens. Précisons – Un clade est un groupe monophylétique d’organismes vivants ou disparus comprenant un organisme donné et la totalité de ses descendants évolutifs. Un autre exemple, souvent utilisé en biologie, pour illustrer le poids des preuves paléontologiques de l’évolution concerne celle du cheval. De nombreux indices paléontologiques ont été découverts pour décrire cette évolution. Les espèces du genre Equus actuel (cheval, âne, zèbre, …) sont toutes caractérisées par des segments de membres allongés et adaptés à la course, par des mains et des pieds munis d’un seul doigt et par des molaires à croissance continue, à couronne haute et couvertes de crêtes émaillées, typiques d’un brouteur d’herbe. Figure 12 : Arguments paléontologiques supportant l’évolution du cheval. Image adaptée de Encyclopédie Britanica. Le premier ancêtre répertorié de ce genre est Hyracothérium qui vivait il y a 53 millions d’années dans l’actuelle Amérique du Nord. Il s’agissait d’un animal de la taille d’un renard et Chapitre 2 – Les théories de l’évolution | 17 possédant des dents basses couvertes de tubercules, typiques d’une alimentation faite de feuilles. Ses pattes avant étaient équipées de 4 doigts et les pattes arrières de 3 doigts. Durant les 30 millions d’années suivantes (éocène et oligocène), les genres se sont succédés : Orohippus, Epihippus, Mesohippus, et Miohippus. Les fossiles de Mesohippus indiquent qu’il s’agit d’un cheval tant par la forme de son cerveau, que par ses proportions générales. Cependant sa taille est encore très petite, ses dents sont caractéristiques d’une alimentation faite de feuilles et il est munis de 3 doigts sur ses membres antérieurs et postérieurs. Au miocène (-23 à -5 millions d’années), plusieurs genres existent simultanément dont certains migrent vers l’Europe actuelle par le Détroit de Béring. Le genre Merychippus, resté sur le continent américain, possède des dents modifiées, à la surface plate et couverte de crêtes émaillées (Figure 12). Cette modification suggère un régime alimentaire différent de ses ancêtres et probablement constitué de brins d’herbes. Au même moment, l’environnement s’est enrichi de graminées. A la fin du miocène, les genres dont l’alimentation était basée sur le feuillage et donc équipés de dents à tubercules ont disparu alors que 20 genres brouteurs d’herbe coexistent. Chez ces derniers, le doigt médian s’allonge, et les doigts latéraux peuvent même disparaitre. Le développement des plaines herbeuses favorise donc les espèces pourvues d’une dentition adaptée mais réduit considérablement le nombre de cachettes où il est possible d’échapper aux prédateurs. Les ancêtres du cheval trouvent donc leur salut dans la fuite et la sélection naturelle agit alors sur l’aspect de leurs membres. Les individus munis de pattes plus longues sont plus rapides et échappent donc plus fréquemment aux prédateurs. Les preuves embryologiques On entend souvent que chaque espèce revit l’évolution au c