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Cours: 1, La Vie

1. Les procaryotes
A. Morphologie
2. Les eucaryotes
A. Architecture cellulaire
B. Phylogénie et différenciation
3. La biochimie: prologue
A. Structures biologiques
B. Processus métaboliques
4. L’origine de la vie
Propriétés communes des
       organismes vivants:

Capacité de récupérer de l’énergie à
partir d’aliments pour assurer leurs
différentes fonctions

Possibilité de s’adapter à des
changements dans leur environnement

La faculté de croître, se différencier
et de se reproduire
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Vers 1839 T. Schwann a été émise la théorie
                        cellulaire
                   C’est-a-dire ;
1. Tous les êtres vivants sont constitues d’une ou
                    plusieurs cellules
2. La cellule est la plus petite unité possédant les
               caractéristiques du vivant
3. Toute cellule provient de la division d’une autre
               cellule (R.Virchov, 1885)
Biologie - Cours: 1: La Vie
1 LES PROCARYOTES
Parmi les premiers microscopistes, Robert
Hooke (17e siècle) a observé des unités
morphologiques appelés cellules

On distingue deux grandes catégories de
cellules: les eucaryotes qui ont un noyau
délimité par une membrane qui renferme
leur ADN (acide désoxyribonucléique) et
les procaryotes qui sont dépourvus de
noyau
Biologie - Cours: 1: La Vie
Les procaryotes, qui comprennent
 différentes types de bactéries, ont une
 structure simple et sont toujours
 unicellulaires
Les eucaryotes, qui peuvent être multi-
cellulaires ou unicellulaires, sont beaucoup
plus complexes
Les virus ne sont pas classés comme
organismes vivants, car ils sont dépourvus
de machinerie métabolique qui leur
permettrait de se reproduire hors de leur
cellule hôte
A. Morphologie et fonctions
Les procaryotes sont les organismes les plus
nombreux sur terre

Certaines bactéries peuvent se développer
dans des conditions de vie hostiles aux
eucaryotes, ou même exiger ces conditions,
telles que des environnements chimiques
défavorables, des températures élevées
(jusqu’à 113°C) ou l’absence d’oxygène
La vitesse de reproduction est rapide (< 20
min pour une division cellulaire)
a. Les procaryotes ont une anatomie relativement simple




 -observés pour la première fois en 1683 par l’inventeur
 du microscope, Antoine van Leeuwenhoek
Représentation schématique d’une cellule procaryote
b. Les procaryotes utilisent plusieurs sources d’énergie
 métabolique

Les autotrophes peuvent synthétiser tous leurs
constituants cellulaires à partir de molécules simples
telles que H2O, CO2, NH3 et H2S. Les
chimiolithotrophes tirent leur énergie de
l’oxydation de substances inorganiques:
       6CO2 + 6H2O              С6Н12О6 + 6O2
       2NH3 + 4O2             2HNO3 + 2H2O
       H2S + 2O2          H2SO4
Des vastes colonies de chimiolithotrophes à
croissance extrêmement lente ont été découvertes
à 5 km de profondeur de l’océan
Les hétérotrophes tirent leur énergie de
l’oxydation de composés organiques et donc se
trouvent finalement dépendants des autotrophes
pour la fourniture de ces substances. Les aérobies
obligatoires (dont les animaux) doivent utiliser
l’oxygène, tandis que les anaérobies utilisent des
agents oxydants comme le sulfate ou le nitrate

Beaucoup d’organismes peuvent dégrader
partiellement des composés organiques par des
réactions d’oxydation/réduction appelées
fermentations. Les anaérobies facultatifs tels que
E. Coli peuvent vivre avec ou sans oxygène. Les
anaérobies obligatoires, au contraire, sont
empoisonnés par l’oxygène
2 LES EUCARYOTES
 Les cellules eucaryotes ont un diamètre
 compris entre 10 et 100 µm, soit un volume
 103 à 106 de fois supérieur à celui des
 procaryotes
Ce qui caractérise mieux la cellule eucaryote
n’est pas la taille mais le fait qu’elle contient
une multitude d’organites fermés par une
membrane, chacun ayant une fonction
spécialisée
La cellule eucaryote contient des organites bordés de
  membrane
                                            Smooth
                                            endoplasmic           Nucleus
                                            reticulum
                              Rough
                              endoplasmic
                              reticulum



                  Flagellum

 Not in most      Lysosome
  plant cells
                  Centriole


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                  Peroxisome

                                                                      Golgi
                      Microtubule                                     apparatus

                                                                  Plasma membrane
   Cytoskeleton       Intermediate
                      filament

                      Microfilament                       Mitochondrion
A. Architecture cellulaire
Les cellules eucaryotes, comme les procaryotes
sont limités par une membrane plasmique. La
surface de beaucoup de cellules eucaryotes est
augmentée par la présence de nombreuses
projections et/ou invaginations

De plus la cellule englobe des portions du milieu
extracellulaire par endocytose. Le contraire de
l’endocytose appelé exocytose, est un mécanisme
de sécrétion courant chez les eucaryotes
a. Le noyau contient l’ADN de la cellule


-lieu de stockage de l’information génétique codée
dans la séquence des bases des molécules d’ADN
qui constituent les chromosomes

  Chromosomes - constitués de chromatine, un
  complexe d’ADN et de protéines

 Nucléole - un corps dense du noyau, lieu
 d’assemblage des ribosomes à partir d’ARN
 ribosomiaux et de protéines ribosomiales,
 synthétisées dans le cytosol. Les ribosomes
 immatures sont alors exportés dans le cytosol
b. Le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi
  sont impliqués dans des modifications de protéines
  membranaires et de protéines secrétées

-le réticulum endoplasmique granuleux est garnie
de ribosomes impliqués dans la synthèse des
protéines liées aux membranes ou destinées à être
sécrétées
-le réticulum endoplasmique lisse n’est pas associé
à des ribosomes et est le siège de synthèse des
lipides
-l’appareil de Golgi est un empilement de vésicules
membraneuses dans lesquelles ces molécules
poursuivent leur maturation
c. Les mitochondries sont le siège du métabolisme
    oxydatif

-les mitochondries sont le siège de respiration
cellulaire. Leur taille est comparable à celle d’une
bactérie. Une cellule eucaryote type contient environ
2000 mitochondries

 -la mitochondrie présente deux membranes: une
 membrane externe lisse et une membrane interne
 plissé en crêtes
   -les mitochondries ont deux compartiments:
   l’espace intermembranaire et la matrice. Les
   enzymes qui catalysent les réactions de la
   respiration se trouvent dans la matrice
Les mitochondries
Biologie - Cours: 1: La Vie
d. Les lysosomes et les peroxysomes sont des
 réservoirs d’enzymes de dégradation

Les lysosmes - découverts en 1949 par Christian
de Duve (Prix Nobel, 1974). Les lysosomes sont
des sacs membraneux (diamètre 0.5 µm) remplis
d’enzymes d’hydrolyse
Les peroxysomes contiennent des enzymes
d‘oxydation. Certaines réactions peroxysomiales
produisent du peroxyde d’hydrogène (H2O2), qui
Peut être dégradé par la catalase:

          2H2O2            2H2O + O2
e. Le cytosquelette organise le cytosol

  Le cytosquelette - vaste réseau de filaments qui
  confère à la cellule sa forme et la faculté de se
  déplacer et qui assure les mouvements de ses
  organites
 Composantes du cytosquelette:
 -microtubules (diamètre 250 Å) constitués de
 tubuline et qui guident les mouvements des
 organites
-microfilaments (diamètre 90 Å) constitués
d’actine et qui ont une fonction de soutien mécanique

-filaments intermédiaires (diamètre 100-150 Å)
constitués de keratine
Micrographie par immunofluorescence
pour révéler l’actine, les mitochondries
               et le noyau
B. Phylogénie et différenciation




      Dessins de quelques cellules humaines
Arbre
phylogénique
de l’évolution
de la vie
cellulaire sur
la Terre
Le
développement
embryonnaire
d’un poisson,
d’un
amphibien,
d’un oiseau et
d’un
mammifère
A. Structures biologiques



Organisation
hiérarchique
de structures
biologiques
Organisation
hiérarchique
de structures
biologiques
L’organization polymérique des protéines,
des acides nucléiques et des polysaccharides
Formation de liaisons peptidiques

résidus
d’acides                                  Les protéines
aminés                                    peuvent
dipeptides                                contenir une ou
                                          plusieurs
tripeptides                               chaînes
oligopeptides                             polypeptidiques
polypeptides

 Les protéines sont des polymères qui peuvent contenir
              jusqu’à 5000 acides aminés

  Dans la nature il existe 20 acides aminés différents
Les monomères d’acides nucléiques sont des nucléotides

 Les nucléotides sont composés d'un sucre, d'une base
    azotée hétérocyclique et d'au moins un groupe
                     phosphoryle




                                    Nitrogenous
                                      base (A)


            Phosphate
              group

                          Sugar
Les cinq bases principales dans des
         acides nucléiques




                      A, G, T, C are present in DNA
                      A, G, U, C are present in RNA
L’ADN contient le désoxyribose tandis
    que l’ARN contient le ribose
Les acides nucléiques se forment par l'établissement d'une liaison
covalente entre le groupe phosphoryle d'un nucléotide et le groupe
hydroxyle du sucre d'un autre nucléotide (liaison phosphodiestère):
Structure de la double hélice de l’ADN: deux
  brins complémentaires et antiparallèlles




                              Hydrogen bonding
                              between
                              complementary base
                              pairs (A-T or G-C)
                              holds the two
                              strands together
B. Processus métaboliques
    La plupart des réactions biochimiques font
    partie d’une voie métabolique:
       E1       E2         E3      E4 etc
S           A         B                                     P



    Voies cataboliques - par lesquelles les nutriments et
    substances cellulaires sont dégradés afin de fournir
    de l’énergie
    Voies anaboliques - synthèse de biomolécules à partir
    de molécules plus simples
L’énergie nécessaire aux processus anaboliques
est fournie grâce au catabolisme,
essentiellement sous forme d’adénosine
triphosphate (ATP):

      ATP + H2O           ADP + HPO42-

Des processus qui consomme de l’énergie, comme
la contraction musculaire dépendent de
l’hydrolyse de l’ATP. Ainsi, les processus
anaboliques et cataboliques sont couplés entre
eux via la monnaie de l’énergie biologique
universelle, l’ATP
5 L’ORIGINE DE LA VIE
     La vie sur Terre a dû apparaître il y a 4
     milliards d’années en trois étapes:
   1. L’évolution chimique au cours de laquelle des
   simples molécules ont réagi pour former des
   polymères organiques complexes

2. L’organisation spontanée de ces polymères pour
donner des entités capables de se répliquer

3. L’évolution biologique aboutissant à la complexité
des formes modernes de vie
Les trois
stades de
l’évolution de
la vie
B. L’évolution chimique

Expérience de Stanley Miller et
Harold Urey (1953) simulant les
effets d’éclairs d’orage dans
l’atmosphere réductrice
primitive (H2O, CH4, NH3, H2).
La solution obtenue à la fin
contenait des composés
organiques hydrosolsolubles
comme des acides aminés. Les
bases des nucléotides peuvent
aussi être synthétisées dans
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Biologie - Cours: 1: La Vie

  • 1. Cours: 1, La Vie 1. Les procaryotes A. Morphologie 2. Les eucaryotes A. Architecture cellulaire B. Phylogénie et différenciation 3. La biochimie: prologue A. Structures biologiques B. Processus métaboliques 4. L’origine de la vie
  • 2. Propriétés communes des organismes vivants: Capacité de récupérer de l’énergie à partir d’aliments pour assurer leurs différentes fonctions Possibilité de s’adapter à des changements dans leur environnement La faculté de croître, se différencier et de se reproduire
  • 6. Vers 1839 T. Schwann a été émise la théorie cellulaire C’est-a-dire ; 1. Tous les êtres vivants sont constitues d’une ou plusieurs cellules 2. La cellule est la plus petite unité possédant les caractéristiques du vivant 3. Toute cellule provient de la division d’une autre cellule (R.Virchov, 1885)
  • 8. 1 LES PROCARYOTES Parmi les premiers microscopistes, Robert Hooke (17e siècle) a observé des unités morphologiques appelés cellules On distingue deux grandes catégories de cellules: les eucaryotes qui ont un noyau délimité par une membrane qui renferme leur ADN (acide désoxyribonucléique) et les procaryotes qui sont dépourvus de noyau
  • 10. Les procaryotes, qui comprennent différentes types de bactéries, ont une structure simple et sont toujours unicellulaires Les eucaryotes, qui peuvent être multi- cellulaires ou unicellulaires, sont beaucoup plus complexes Les virus ne sont pas classés comme organismes vivants, car ils sont dépourvus de machinerie métabolique qui leur permettrait de se reproduire hors de leur cellule hôte
  • 11. A. Morphologie et fonctions Les procaryotes sont les organismes les plus nombreux sur terre Certaines bactéries peuvent se développer dans des conditions de vie hostiles aux eucaryotes, ou même exiger ces conditions, telles que des environnements chimiques défavorables, des températures élevées (jusqu’à 113°C) ou l’absence d’oxygène La vitesse de reproduction est rapide (< 20 min pour une division cellulaire)
  • 12. a. Les procaryotes ont une anatomie relativement simple -observés pour la première fois en 1683 par l’inventeur du microscope, Antoine van Leeuwenhoek
  • 14. b. Les procaryotes utilisent plusieurs sources d’énergie métabolique Les autotrophes peuvent synthétiser tous leurs constituants cellulaires à partir de molécules simples telles que H2O, CO2, NH3 et H2S. Les chimiolithotrophes tirent leur énergie de l’oxydation de substances inorganiques: 6CO2 + 6H2O С6Н12О6 + 6O2 2NH3 + 4O2 2HNO3 + 2H2O H2S + 2O2 H2SO4 Des vastes colonies de chimiolithotrophes à croissance extrêmement lente ont été découvertes à 5 km de profondeur de l’océan
  • 15. Les hétérotrophes tirent leur énergie de l’oxydation de composés organiques et donc se trouvent finalement dépendants des autotrophes pour la fourniture de ces substances. Les aérobies obligatoires (dont les animaux) doivent utiliser l’oxygène, tandis que les anaérobies utilisent des agents oxydants comme le sulfate ou le nitrate Beaucoup d’organismes peuvent dégrader partiellement des composés organiques par des réactions d’oxydation/réduction appelées fermentations. Les anaérobies facultatifs tels que E. Coli peuvent vivre avec ou sans oxygène. Les anaérobies obligatoires, au contraire, sont empoisonnés par l’oxygène
  • 16. 2 LES EUCARYOTES Les cellules eucaryotes ont un diamètre compris entre 10 et 100 µm, soit un volume 103 à 106 de fois supérieur à celui des procaryotes Ce qui caractérise mieux la cellule eucaryote n’est pas la taille mais le fait qu’elle contient une multitude d’organites fermés par une membrane, chacun ayant une fonction spécialisée
  • 17. La cellule eucaryote contient des organites bordés de membrane Smooth endoplasmic Nucleus reticulum Rough endoplasmic reticulum Flagellum Not in most Lysosome plant cells Centriole Ribosomes Peroxisome Golgi Microtubule apparatus Plasma membrane Cytoskeleton Intermediate filament Microfilament Mitochondrion
  • 18. A. Architecture cellulaire Les cellules eucaryotes, comme les procaryotes sont limités par une membrane plasmique. La surface de beaucoup de cellules eucaryotes est augmentée par la présence de nombreuses projections et/ou invaginations De plus la cellule englobe des portions du milieu extracellulaire par endocytose. Le contraire de l’endocytose appelé exocytose, est un mécanisme de sécrétion courant chez les eucaryotes
  • 19. a. Le noyau contient l’ADN de la cellule -lieu de stockage de l’information génétique codée dans la séquence des bases des molécules d’ADN qui constituent les chromosomes Chromosomes - constitués de chromatine, un complexe d’ADN et de protéines Nucléole - un corps dense du noyau, lieu d’assemblage des ribosomes à partir d’ARN ribosomiaux et de protéines ribosomiales, synthétisées dans le cytosol. Les ribosomes immatures sont alors exportés dans le cytosol
  • 20. b. Le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi sont impliqués dans des modifications de protéines membranaires et de protéines secrétées -le réticulum endoplasmique granuleux est garnie de ribosomes impliqués dans la synthèse des protéines liées aux membranes ou destinées à être sécrétées -le réticulum endoplasmique lisse n’est pas associé à des ribosomes et est le siège de synthèse des lipides -l’appareil de Golgi est un empilement de vésicules membraneuses dans lesquelles ces molécules poursuivent leur maturation
  • 21. c. Les mitochondries sont le siège du métabolisme oxydatif -les mitochondries sont le siège de respiration cellulaire. Leur taille est comparable à celle d’une bactérie. Une cellule eucaryote type contient environ 2000 mitochondries -la mitochondrie présente deux membranes: une membrane externe lisse et une membrane interne plissé en crêtes -les mitochondries ont deux compartiments: l’espace intermembranaire et la matrice. Les enzymes qui catalysent les réactions de la respiration se trouvent dans la matrice
  • 24. d. Les lysosomes et les peroxysomes sont des réservoirs d’enzymes de dégradation Les lysosmes - découverts en 1949 par Christian de Duve (Prix Nobel, 1974). Les lysosomes sont des sacs membraneux (diamètre 0.5 µm) remplis d’enzymes d’hydrolyse Les peroxysomes contiennent des enzymes d‘oxydation. Certaines réactions peroxysomiales produisent du peroxyde d’hydrogène (H2O2), qui Peut être dégradé par la catalase: 2H2O2 2H2O + O2
  • 25. e. Le cytosquelette organise le cytosol Le cytosquelette - vaste réseau de filaments qui confère à la cellule sa forme et la faculté de se déplacer et qui assure les mouvements de ses organites Composantes du cytosquelette: -microtubules (diamètre 250 Å) constitués de tubuline et qui guident les mouvements des organites -microfilaments (diamètre 90 Å) constitués d’actine et qui ont une fonction de soutien mécanique -filaments intermédiaires (diamètre 100-150 Å) constitués de keratine
  • 26. Micrographie par immunofluorescence pour révéler l’actine, les mitochondries et le noyau
  • 27. B. Phylogénie et différenciation Dessins de quelques cellules humaines
  • 28. Arbre phylogénique de l’évolution de la vie cellulaire sur la Terre
  • 32. L’organization polymérique des protéines, des acides nucléiques et des polysaccharides
  • 33. Formation de liaisons peptidiques résidus d’acides Les protéines aminés peuvent dipeptides contenir une ou plusieurs tripeptides chaînes oligopeptides polypeptidiques polypeptides Les protéines sont des polymères qui peuvent contenir jusqu’à 5000 acides aminés Dans la nature il existe 20 acides aminés différents
  • 34. Les monomères d’acides nucléiques sont des nucléotides Les nucléotides sont composés d'un sucre, d'une base azotée hétérocyclique et d'au moins un groupe phosphoryle Nitrogenous base (A) Phosphate group Sugar
  • 35. Les cinq bases principales dans des acides nucléiques A, G, T, C are present in DNA A, G, U, C are present in RNA
  • 36. L’ADN contient le désoxyribose tandis que l’ARN contient le ribose
  • 37. Les acides nucléiques se forment par l'établissement d'une liaison covalente entre le groupe phosphoryle d'un nucléotide et le groupe hydroxyle du sucre d'un autre nucléotide (liaison phosphodiestère):
  • 38. Structure de la double hélice de l’ADN: deux brins complémentaires et antiparallèlles Hydrogen bonding between complementary base pairs (A-T or G-C) holds the two strands together
  • 39. B. Processus métaboliques La plupart des réactions biochimiques font partie d’une voie métabolique: E1 E2 E3 E4 etc S A B P Voies cataboliques - par lesquelles les nutriments et substances cellulaires sont dégradés afin de fournir de l’énergie Voies anaboliques - synthèse de biomolécules à partir de molécules plus simples
  • 40. L’énergie nécessaire aux processus anaboliques est fournie grâce au catabolisme, essentiellement sous forme d’adénosine triphosphate (ATP): ATP + H2O ADP + HPO42- Des processus qui consomme de l’énergie, comme la contraction musculaire dépendent de l’hydrolyse de l’ATP. Ainsi, les processus anaboliques et cataboliques sont couplés entre eux via la monnaie de l’énergie biologique universelle, l’ATP
  • 41. 5 L’ORIGINE DE LA VIE La vie sur Terre a dû apparaître il y a 4 milliards d’années en trois étapes: 1. L’évolution chimique au cours de laquelle des simples molécules ont réagi pour former des polymères organiques complexes 2. L’organisation spontanée de ces polymères pour donner des entités capables de se répliquer 3. L’évolution biologique aboutissant à la complexité des formes modernes de vie
  • 43. B. L’évolution chimique Expérience de Stanley Miller et Harold Urey (1953) simulant les effets d’éclairs d’orage dans l’atmosphere réductrice primitive (H2O, CH4, NH3, H2). La solution obtenue à la fin contenait des composés organiques hydrosolsolubles comme des acides aminés. Les bases des nucléotides peuvent aussi être synthétisées dans des conditions prébiotiques (en présence d’HCN). La vie est née probablement suite à la formation de molécules d’ARN autoréplicatives