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Biologie cellulaireCHAPITRE 1 : BATIR LE MONDE?CMBiologie : étude du vivant, qui est caractérisée par la reproduction, notamment par les acides nucléiques (ADN ou ARN).I. Les lipides : des limites ... gratuitesC’est une catégorie de molécule, que l’on a définit par technique d’obtention. Il peut êtr...

Description

Biologie cellulaire CHAPITRE 1 : BATIR LE MONDE ? CM1 Biologie : étude du vivant, qui est caractérisée par la reproduction, notamment par les acides nucléiques (ADN ou ARN).

I.

Les lipides : des limites … gratuites

C’est une catégorie de molécule, que l’on a définit par technique d’obtention. Il peut être extrait d’un tissu vivant, par un solvant très particulier qui est composé à 50% d’éther et à 50% d’alcool, le lipide est donc soluble dans ce mélange. On les retrouve au surnageant. Les lipides sont amphiphiles. 1-les lipides : des molécules amphiphiles Exemple simple : un acide gras, contenant une chaine hydrocarbonée avec un groupement d’acide carboxylique. Il peut prendre la configuration en zigzag car elle est une des configurations les plus stables. La chaine de carbone, ici, est toujours paire et allant de 4 à 30 C.

Ce dernier peut être saturé ou insaturé, suivant l’existence de doubles liaisons. Il existe des omégas 3, 6 et 9, qui sont en fait les ∆, représentant les insaturations, soit les doubles liaisons. L’acide oléique est donc composé d’un oméga 9. Ces insaturations sont toutes en conformation cis et non trans.

Ces acides gras (insaturés) vont donc avoir des coudes, et la conséquence de ces coudes c’est que ces acides gras insaturés occupent plus de places qu’un acide gras saturé.

Un acide gras est donc composé d’une chaine aliphatique qui est hydrophobe avec un groupement acide carboxylique, qui est hydrophiles. On a donc une molécule amphiphile. Tous les lipides sont dans ce cas, du moins ceux qui nous intéressent. Chez les phosphoglycérolipides, plus précisément chez les eucaryotes, ce sont les phospholipides (mais c’est la même chose). C’est un lipide qui est construit par une estérification du glycérol. On a 2 fonctions alcool, puis on va les estérifier par un acide gras, il nous reste une dernière fonction alcool, que nous pouvons utiliser pour réagir. À gauche, on peut observer une molécule de glycérol. Dans le cas des glycérophospholipides une phosphate qui va se greffer.

Ici, on observe une phosphatidylcholine, qui est construit avec un groupement phosphatidyl, qui est constitué d’un glycérol, de 2 acides gras et d’un groupement phosphate. Ce groupement possède des atomes réactifs, et qui peut donc fixer un autre groupement, ici appelé la choline (l’acétylcholine est un neurotransmetteur).

D’un autre point de vue, les acides gras sont donc hydrophobes. Puis de l’autre côté, on a des atomes chargés avec des électronégativités différentes, donc des liaisons polarisées. C’est donc un groupement hydrophile. C’est donc une molécule amphiphile.

Cette molécule amphiphile est généralement schématisée avec la représentation de droite, c’est-à-dire la plus simple possible avec une tête hydrophile contenant un phosphate et 2 queues hydrophobes (les acides gras).

 Sphingolipides C’est un autre type de lipide, ils sont construits sur une base un peu particulière, qui est la sphingosine. La sphingosine est un alcool aminé, possédant déjà une chaine aliphatique. On la trouve sous une forme complexée avec un acide gras. On observe une amidification de l’amine avec d’autres groupements. En bleu, on peut observer de la sphingosine. Dans ce type de molécule, on obtient une base, nommée céramide, qui est la base de la construction des glycolipides chez les eucaryotes. Si on regarde la construction, on a 2 queues hydrophobes et une tête hydrophile.

On observe de nouveau une molécule amphiphile, qui n’est pas très différente d’un point de vue morphologique à celle vu précédemment. On va schématiser cette molécule avec le même type de schéma. La plupart des lipides qui portent des sucres sont construits sur de la sphingosine.  Dérivés de l’unité isoprène Ces dérivés donnent de longues chaines carbonées mais des doubles liaisons, elles vont permettre des ancrages. Ils participent aux structures que construisent les lipides.

Il existe aussi le dérivé du noyau stérol donnant le cholestérol, appartenant aux dérivés de l’unité isoprène. Comme dans les stérols ou stéroïdes, on a un groupement OH, qui est polaire et donc hydrophile.

On a donc ici, une molécule avec un pôle hydrophobe et un pôle hydrophile, donnant une molécule amphiphile. Le cholestérol est une suite de cycles formant une raquette avec un petit pole hydrophile.

2-en milieu aqueux… des bicouches SPONTANÉES Les lipides en milieu aqueux vont faire des bicouches spontanées. Le monde biologique a plusieurs particularités qui est évidemment chimique, qui se passe dans un solvant particulier qui est l’eau. Le monde biologique est donc aqueux. L’eau est une molécule complètement polaire, et sa polarité nous permet de faire des liaisons H avec d’autres molécules d’eau. La conséquence de ces liaisons H, c’est que les molécules ont tendance à vibrer et bouger. Une molécule d’eau est une molécule qui va sans cesse accepter ou proposer des liaisons H. Dans un récipient contenant de l’eau, c’est en fait un réseau d’eau qui sont maintenues entre elles par des liaisons H, elles subissent des interactions entre elles. Lorsqu’un robinet est ouvert, les molécules d’eau vont couler comme un ensemble cohérent, dont la première molécule d’eau a entrainé la 2ème molécule d’eau par les liaisons H, suite à la gravité de la 1ère. Si on augmente l’agitation, on casse les liaisons H, les molécules d’eau se séparent et elles donnent de la vapeur. Tous les réseaux biologiques se passent dans les molécules d’eau. Dans les molécules d’eau, on observe 2 grands types de molécules : -molécules hydrophiles : quand on met ces molécules dans un réseau d’eau, elles sont capables d’interagir avec ce réseau. Elles sont donc suffisamment polaires pour accepter ou donner des liaisons H, elles s’intègrent dans la molécule d’eau. Cette molécule est donc soluble dans l’eau. -molécules hydrophobes : ce sont des molécules apolaires, elles n’ont pas d’irrégularités de charges à leurs surfaces (ex : une chaine C-H). Ces molécules n’interagissent pas avec les molécules d’eau, ça ne se solubilise pas dans l’eau. Elles ont donc un comportement très particulier, au départ on a des molécules hydrophobes séparées et si on laisse ce système évoluer, spontanément qui se passe toute seule les molécules hydrophobes se rassemblent entre elles. Cela voudrait dire qu’elles s’attirent les unes avec les autres pour se rassembler dans un solvant. Sauf que lorsqu’on remplace de l’eau par un autre solvant tel que de l’alcool, on observe spontanément une séparation des molécules hydrophobes. Cette propriété ne dépend pas des molécules hydrophobes, mais du solvant qui est autour. Les interactions hydrophobes N’EXISTENT PAS. L’entropie est la mesure du désordre. L’entropie d’un système qui évolue spontanément elle augmente. Il ne faut pas regarder l’entropie au niveau des molécules hydrophobes mais au niveau du système entier et donc en particulier du solvant.

Les molécules d’eau acceptent et proposent des liaisons H, elles sont donc dans un désordre permanent et bougent sans cesse. Lorsqu’on rajoute des composés hydrophobes, ils empiètent dans l’espace de mouvement des molécules d’eau, ces dernières auront donc un espace plus restreint. Les composés hydrophobes ont rangé les molécules d’eau. On a donc une diminution de l’entropie du solvant. L’entropie du côté gauche est plus faible que celle du côté droit, car les lignes rouges montrent que plus d’espace a été pris par les composés hydrophobes. Dans le côté droit, on a un minimum de contrainte de déplacement. Cette évolution est spontanée, ne demandant aucune dépense d’énergie. Si on met des molécules amphiphiles dans l’eau, spontanément, elles vont avoir tendance à se rassembler, et les pôles hydrophiles vont être en contact avec les molécules d’eau tandis que les pôles hydrophobes vont avoir tendance à retrouver à l’intérieur de la molécule hydrophobe. On va donc obtenir des petites gouttes appelées micelles. Mais la plupart de nos lipides ne ressemble pas aux micelles, mais à des colonnes (acides gras). Mais les sphingolipides par exemple vont former spontanément des bicouches et créent des membranes. Les membranes biologiques ont des limites énergiquement gratuites en milieu aqueux.

II.

Les acides nucléiques

1-monomères : les nucléotides Toutes ces molécules sont construites par polymérisation. Un nucléotide est constitué d’un sucre, donc un ose, une base azotée qui appartiennent à 2 catégories (base purique et base pyrimidique). Dans les bases puriques, on de l’adénine et de la guanine et dans les bases pyrimidiques on a de la cytosine, de la thymine et de l’uracile. Une base azotée avec un sucre donne un nucléoside. Il en existe 5 : -adénosine -guanosine -thymidine -cytidine -uridine Pour devenir un nucléotide, ce dernier est composé d’un nucléoside avec un groupement phosphate inorganique. La plupart des réactions se font par élimination d’eau.

Entre le groupement phosphate et le groupement OH, on a une liaison ester. Vu que cette liaison ester inclue un acide phosphorique, on appelle cette liaison phosphoester. On observe aussi une liaison N-glycosidique. On peut construire des nucléotides à partir de 2 types de sucres, qui sont les riboses et les désoxyriboses.

Pour distinguer les liaisons, les biochimistes ont rajouté des « ‘ » pour les C. La base est portée par le C1’ du sucre. Le phosphate est porté par le C5’ du sucre. Enfin le C3’, est à l’opposé du phosphate, il porte un groupement OH. Ce groupement OH peut agir avec autre chose. Ici, nous avons un monomère qui s’accrocher à autre chose par le groupement OH. Le groupement phosphate, au pH cellulaire, c’est un groupement qui est chargé, qui est lié au pKa de l’acide phosphorique. Les nucléotides sont des molécules chargées parce que le groupement phosphate est chargé. Ces nucléotides ont chacun une base azotée, et ces dernières comportent des groupements qui sont donneurs ou accepteurs de liaisons H. Chaque base azotée peut présenter soit 2 groupements, soit 3 groupements donneurs ou accepteurs de liaisons H. Ces dernières peuvent faire soit 2, soit 3 liaisons H. On peut donc faire des liaisons H par la base.

Un groupement donneur de liaisons H, comporte un H lié à un atome électronégatif. Cet H est légèrement chargé positivement. Un groupement accepteur de liaisons H, c’est un atome électronégatif. S’il y a un groupement donneur et accepteur, il peut y avoir une liaison électrostatique, qui est une liaison H. Les liaisons H sont fondamentales dans le monde vivant et fait partie des liaisons faibles.

Ce sont des liaisons qui peuvent être remise en cause quand les atomes bougent beaucoup. Quand 2 C sont liés par une liaison de covalence, même si on secoue beaucoup les 2 C vont rester liés et vont bouger ensemble car ils sont reliés par une liaison forte. L’énergie de liaison d’une liaison H est à porter de l’énergie d’ionisation thermique. Ces liaisons H ont une particularité qui va être fondamentale dans le fonctionnement des acides nucléiques, c’est qu’elles ont une direction, elles ont une géométrie dans l’espace. Si un O n’est pas dans l’alignement du H et du O précédemment liés alors ici, il n’y a pas de liaison H. Ces possibilités de liaisons sont imposées par la stéréochimie des liaisons H et par leurs directions dans l’espace.

CM2 2-une polymérisation monotone

Cette polymérisation ne se fait que d’une seule façon. Le C3’ du sucre qui porte un groupement OH. Ce dernier peut réagir avec le groupement d’un autre nucléotide, pour donner une liaison ester (acide+ OH). L’acide phosphorique lié à un alcool, ce qui nous donne une liaison ester fait par un groupement phosphate, donc une liaison phosphoester. Ici, on se retrouve avec 2 nucléotides qui sont reliés par une liaison phosphoester. Le C3’ est relié à un groupement phosphate. C’est un pont phosphodiester, car le groupement phosphate peut faire 2 liaisons esters, mais qui est cette fois-ci entre nucléosides. Ou alors c’est un pont phosphoester entre nucléotides. On se retrouve avec 2 monomères accroché l’un à l’autre. Le 2ème nucléotide a aussi un C3’ avec un OH, il peut donc lui aussi faire une autre liaison, on peut donc rallonger la chaine avec la même fonction. On va pouvoir construire une chaine avec plusieurs nucléotide attachés. Cet ensemble est appelé acide nucléique, c’est un polymère des nucléotides. Cet acide nucléique est constitué d’un squelette phosphate-osephosphate-ose… avec une succession de base azotée. Les 2 extrémités de ce squelette sont différentes. En haut, on a un groupement phosphate rattaché à C5’ du sucre. À l’autre extrémité, nous avons un groupement OH porté par un C3’ du sucre. On a une chaine qui est orientée, il y a donc une seule façon de construire ces bases. Cette molécule peut porter une information qui n’est pas ambigüe, puis que la molécule est orientée. On peut donc savoir dans quel sens on va lire l’information. Cette chaine est composée par une succession de monomère. Ici, c’est une molécule informative.

3-des polymères structurés par des liaisons faibles Ces polymères qui sont des acides nucléiques, vont pouvoir se structurer, prendre une structure dans l’espace. Ils vont être structurés par des liaisons faibles, plus précisément par des liaisons H. Les acides nucléiques sont très rarement sous forme linéaire, la plupart du temps ils sont repliés avec d’autres polymères et ils prennent une structure dans l’espace. Entre A et T, il y a 2 liaisons H, contrairement à entre C et G, il y a 3 liaisons H. C’est cette spécificité qui fait que l’adénine ne se lie qu’à la thymine et la guanine qu’à la cytosine. On peut voir à droite une double hélice d’ADN et tut à droite on peut voir un ARN. La structure en double hélice, n’est pas forcément une ADN, mais c’est une structure que peuvent prendre les acides nucléiques. Il existe 2 catégories d’acides nucléiques : -acide désoxyribo-nucléique (ADN) -acide ribo-nucléique (ARN) La différence fondamentale entre ces 2 molécules, c’est le sucre. Dans l’ADN, le sucre, c’est du désoxyribose et dans l’ARN, le sucre c’est le ribose. La différence se fait sur le C2. On va trouver dans l’ADN des bases azotées, qui sont AT/CG. L’ARN utilise les bases AU/CG. En général, l’ADN est bicaténaire (molécule d’ADN est constituée en général de 2 brins d’ADN, qui sont complémentaires et antiparallèles). Le brin va d’une extrémité 5’ à 3’, l’autre va se positionner inversement. Ceci représente 2 brins d’ADN antiparallèle. L’ARN peut prendre de très nombreuses conformations, également en double hélice, la plupart du temps en boule. L’ARN est généralement monocaténaire, mais il peut y avoir des cas où l’ARN est bicaténaire et qui sont associés de manière antiparallèle. Remarque importante : Le dogme de Biologie Moléculaire, énoncé par Watson et Crick, idée émise dans un article dans Nature. Dans cet article, ils suggèrent une structure de la molécule d’ADN, en double hélice antiparallèle. En fin d’article, ils suggèrent que cette structure possède un avantage. Grâce à cette structure, on pourrait avoir 2 fois la même structure identique. On pourrait donc répliquer la molécule de façon identique, cette réplication se ferait sur un brin d’ADN.

Cependant cet article ne respecte aucune norme d’un article scientifique, pas une seule donnée expérimentale avec une seule illustration. Si cette molécule peut porter une information, alors elle peut transmettre cette information. Cette idée leur a valu le prix Nobel en 1962. Cependant l’authentique héritière de ce prix Nobel serait Rosalin Franklin, qui était une cristallographe, elle produisait des images diffraction aux rayons X qui permettent de construire l’image de la molécule. Elle a fait cela sur la molécule d’ADN. Elle n’a pas eu le prix Nobel parce que c’était une femme et qu’elle est morte avant le prix Nobel, ce dernier n’est décerné qu’à des personnes vivantes. Il a fallu 40 ans pour que Watson parle enfin de Rosalin Franklin. En réalité les cellules sont équipés d’enzymes avec beaucoup d’énergie pour pouvoir répliquer une molécule d’ADN.

Ils ont même amélioré le dogme quelques années plus tard, pour en faire le dogme central de la biologie moléculaire. Ils ont rajouté que l’information peut passer d’une molécule à l’autre. Elle passe toujours dans le même sens, elle peut passer de l’ADN à l’ARN, puis de l’ARN à la protéine. On peut donc transformer une info s’un ADN, par une info transmise d’un ARN, et une information qui va être exploitée par une protéine. Il y a 3 mots qui représentent ces activités. L’ADN est capable de se reproduire, donc de se répliquer, c’est la réplication. L’ADN peut être recopier sous forme d’une autre molécule et qui est une molécule d’ARN, c’est la transcription. Et enfin l’ARN peut être la base qui permet de constituer une autre catégorie moléculaire, des protéines, ce passage de l’ARN à la protéine, c’est la traduction. Cependant, le terme de « dogme » dérange car c’est censé être quelque chose qu’on ne peut pas remettre en cause, c’est une loi qu’on ne peut pas tester. Or, la science est un domaine qui propose des concepts qui sont testables expérimentalement, qui peuvent être réfutés. La transcription permet de recopier les bases azotées de l’ADN sous forme de l’ARN, qui utilise des gros complexes enzymatiques. Notamment avec l’ARNpolymérase. La complémentarité des bases permet une copie conforme. Il existe différents types d’ARN, il en existe 3. Il y a les ARN messagers, c’est ceux qui vont permettre de transmettre l’information sous forme de protéine, c’est eux qui portent les séquences informatives. Il y a aussi les ARNr dit ARN ribosomique, ce dernier participe à la formation d’un organite appelé ribosome.

Pour finir, il existe les ARNt, dit de transfert. C’est eux qui permettent de faire circuler les AA lors de la synthèse des protéines. Ces ARN vont donc permettre de traduire les informations portées par l’ARN sous forme d’une protéine. La traduction va permettre d’obtenir des protéines, qui sont des outils pour la cellule. La cellule stocke des informations et à partir de ces informations, elle fabrique des outils. Tous ces processus sont rendus possible par la complémentarité (A/T et C/G), elle repose donc sur l’existence de liaison faible (hydrogène). Il y a donc une reconnaissance grâce aux liaisons faibles. Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides, si l’on veut obtenir des molécules différentes, nous allons jouer avec la polymérisation, sur la longueur. Les acides nucléiques sont molécules extrêmement longues, c’est ce qui fait leurs différences et donc leurs diversités. III. Protéines Ce sont des polymères de petites molécules, et il y a des polymères de monomères, les AA. 1-Les monomères : les AA Un AA est une molécule est composé d’un C qui a un acide et une amine. C’est le radical R qui permet de faire exister environ une vingtaine de monomères différents. Ici, ce qui nous intéresse c’est de classer les AA, il en existe 3 grandes catégories d’AA :  AA à chaine latérale apolaires Ces AA ne portent aucune différence de charges, elle est donc globalement neutre et donc hydrophobe. Les radicaux de cette catégorie contiennent du C et H sauf la cystéine et la méthionine.

 AA polaires non chargés Ces AA ont dans leurs constitutions des liaisons polarisées, comme HO.

 AA polaires chargés au pH cellulaire Ces AA sont ionisés, avec un groupement NH3 (globalement) pour les basiques et un groupement COOpour les acides.

2-polymères : les peptides  Liaison peptidique Les AA s’accrochent toujours de la même façon, c’est la liaison peptidique. Ces liaisons permettent de faire un polymère d’AA. Elle possède un niveau d’énergie intermédiaire.

Cette liaison peptidique ne met pas en jeu des radicaux, elle peut lier n’importe quel AA. Cette liaison peptidique est partiellement double, c’est-à-dire qu’elle est fixe dans l’espace. Il n’y a pas de liberté de rotation dans cette liaison. Les 2 extrémités ne sont pas identiques, on peut voir un NH3+ à gauche et un COO- à droite. On peut décrire ce polymère sans ambiguïté grâce aux extrémités. On a donc une...