Transcript Des molécules aux organismes vivants - Archive-Host

COURS de Biologie Fondamentale
IFSI 2009-2010
19 heures
Stéphanie LUCAS
[email protected]
1
2
1-
Des molécules aux organismes vivants
Stéphanie LUCAS
2-
Structures cellulaires
Stéphanie LUCAS
3-
Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires
Stéphanie LUCAS
4-
Communications intercellulaires
5-
Cellules musculaires et nerveuses
Stéphanie LUCAS
Damien LETERME
3
1-
2-
3-
4-
5-
Des molécules aux organismes vivants
Atomes, ions, molécules
L’eau et le pH des solutions aqueuses
Les composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides, protéines)
Des molécules aux organismes vivants
Structures cellulaires
La membrane cellulaire
Le noyau
Le cytoplasme
Les mitochondries
Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes)
Le cytosquelette
Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires
Cellules souches (embryonnaires et adultes)
Division cellulaire
Différenciation cellulaire
Mort cellulaire (apoptose/nécrose)
Communications intercellulaires
Types de communications
Les molécules des communications
Les récepteurs cellulaires
Les réponses cellulaires
Cellules musculaires et nerveuses
Potentiel de repos
Potentiel d'action, codage de l'information
Transmission synaptique
Contraction musculaire
4
LES DIFFERENTS NIVEAUX DE STRUCTURE DU CORPS
5
1- Des molécules aux organismes vivants
Atomes, ions, molécules
L’eau et le pH des solutions aqueuses
Les composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides, protéines)
Des molécules aux organismes vivants
6
Atomes, ions, molécules
26 éléments sont présents dans le corps humain
4 éléments constituent 96% de la masse corporelle
7
Atomes, ions, molécules
26 sont présents dans le corps humain
4 constituent 96% de la masse corporelle
7 éléments autres   4% restants
8
Atomes, ions, molécules
26 sont présents dans le corps humain
4 constituent 96% de la masse corporelle
7 autres   4% restants
Oligoéléments  moins de 0.2%
9
Atomes, ions, molécules
Eléments constitués d’atomes, désignés par 1 ou 2 lettres (H, C, Ca…)
Atomes constitués de noyaux autour desquels gravitent des électrons.
Dans un atome, autant d’e- que de protons  charge nulle
Ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
Il est chargé positivement ou négativement.
Ex: calcium Ca2+, car il a perdu 2 e10
Atomes, ions, molécules
Les atomes peuvent partager des e- : ils s’associent alors en molécules
11
Atomes, ions, molécules
Les atomes peuvent partager des e- : ils s’associent alors en molécules
Liaisons covalentes : les atomes partagent des électrons
Liaisons covalentes simples : les atomes partagent une paire d’électrons (C-C)
Liaisons covalentes doubles : les atomes partagent 2 paires d’électrons (C=C)
Liaisons covalentes triples : les atomes partagent 3 paires d’électrons (C≡C)
12
Atomes, ions, molécules
des ions
Sodium Na+
cation
Chlore Cl-
anion
Liaisons ioniques : les atomes ou molécules avec des charges opposées s’associent
un sel
Chlorure de sodium NaCl
13
Atomes, ions, molécules
Liaisons hydrogène :
les hydrogènes liés à des atomes d’oxygène dans les molécules sont plutôt +
Ils peuvent notamment interagir avec des oxygènes qui sont plutôt chargés -
Liaisons hydrogène sont responsables :
- de l’état liquide de l’eau sur terre
- de la forme en double hélice de l’ADN
- de la forme des protéines
14
Atomes, ions, molécules
 Lien avec la clinique
Le ionogramme est un examen qui analyse la concentration en ions d’un liquide
organique (sang, urines, liquide céphalo-rachidien).
 pour dépister les troubles ioniques qui surviennent dans les maladies rénales,
hormonales, les troubles de l'hydratation, les troubles gastro-intestinaux (diarrhée,
vomissements)...
les cations (positifs) tels que :
le sodium Na+
le potassium K+
le calcium Ca2+
le magnésium Mg2+
les anions (négatifs) tels que :
le chlorure Clles bicarbonates HCO3les phosphates HPO42 les sulfates SO42-
15
Atomes, ions, molécules
Récapitulatif :
4 éléments ou atomes  96% masse corporelle :
O, C, H et N
(eau et composés organiques)
7 éléments  4% masse corporelle
oligoéléments  moins de 0.2% masse corporelle
Molécules : associations d’atomes par des liaisons
Liaisons covalentes : atomes partagent des électrons (H2O)
Liaisons ioniques : des atomes chargés se « rapprochent » (NaCl)
Liaisons hydrogènes : un hydrogène se rapproche d’un oxygène
16
1-
Des molécules aux organismes vivants
Atomes, ions, molécules
L’eau et le pH des solutions aqueuses
Les composés organiques (lipides, glucides, acides nucléiques, protéines)
Des molécules aux organismes vivants
17
L’eau
55 à 60% de la masse corporelle d’un adulte
intérieur des cellules
milieu extracellulaire
liquides corporels (sang, lymphe…)
 Milieux aqueux
- véhicule de nombreuses molécules dissoutes
- participe à un grand nombre de réactions chimiques
- absorbe et libère la chaleur très lentement : homéostasie thermique
18
Les notions d’acide et base
De nombreux composés inorganiques et organiques sont dissouts dans
l’eau
Plusieurs sont des acides ou des bases.
Les acides libèrent des ions H+ (protons, oxonium) dans l’eau ;
les bases des ions OH- (hydroxydes) dans l’eau.
19
L’eau et le pH des solutions aqueuses
Une solution est dite acide si elle contient plus d’ions H + que d’ions OH – : [H+] > [OH-]
Une solution est dite basique (ou alcaline) si elle contient plus d’ions OH - que
d’ions H + : [OH-]>[H+]
Une solution est dite neutre si elle contient autant d’ions OH - que d’ions H + :
[OH-]=[H+]
L’acidité ou l’alcalinité s’exprime par le pH (potentiel Hydrogène), qui va de 0 à 14.
pH = - log [H+]
20
L’eau et le pH des solutions aqueuses
L’acidité ou l’alcalinité s’exprime par le pH (potentiel Hydrogène), qui va de 0 à 14
pH = - log [H+]
Exemples:
pH d’une solution avec [H+]=0,0001 moles/L = 10-4 moles/L ?
Concentration en [H+] d’une solution à pH 3 ?
[H+] = 10-3 moles/l =0,001 moles/L
21
L’eau et le pH des solutions aqueuses
Cellules  7.2 – 7.4
 Substances présentes dans le corps humain
22
L’eau et le pH des solutions aqueuses
 Lien avec la clinique
Limites de pH sanguin physiologiques: 7,35 à 7,45
[H+] = 4,47 10-8 à 3,54 x 10-8 mol/l
Plusieurs mécanismes permettent de maintenir le sang dans ces limites de pH:
1) des mécanismes permettant une élimination des protons et des acides
produits (essentiellement assurée par les systèmes rénaux. Ex: l’urine)
2) des systèmes tampons efficaces : Ex: le système acide carboniquebicarbonate
DIOXYDE DE
CARBONE
EAU
Si alcalose:
H2CO3
Si acidose:
H+ + HCO3-
ACIDE
CARBONIQUE
ION
ION
OXONIUM BICARBONATE
H+ + HCO3H2CO3
H2O + CO2
3) La respiration : élément important du contrôle de l'équilibre acide/base du
sang
23
L’eau et le pH des solutions aqueuses
 Lien avec la clinique
Deux grandes origines possibles :
les acidoses et alcaloses gazeuses &
les acidoses et alcaloses métaboliques.
diagnostic
Dosage des gaz du sang dans un prélèvement de sang (artériel ou veineux):
En même temps qu'on mesure la pression partielle exercée par l'O2 (PaO2) et le CO2
(PaCO2) dissout dans le sang on mesure aussi l'acidité (pH), la concentration en ions
bicarbonate ([HCO3-])
24
L’eau et le pH des solutions aqueuses
 Lien avec la clinique
Respiration : élément important du contrôle de l'équilibre acide/base du sang
Peut aussi en être un élément perturbateur.
Hyperventilation :  de PCO2 et donc  de pH sanguin: une alcalose.
Hypoventilation :  de PCO2 et donc une acidose.
Les gaz du sang peuvent être dosés dans un prélèvement de sang (artériel ou veineux):
Le prélèvement doit être disposé dans de la glace pour éviter la consommation de l'oxygène
par les globules rouges et être adressé rapidement au laboratoire d'analyse.
En même temps qu'on mesure la pression partielle exercée par l'O2 (PaO2) et le CO2
(PaCO2) dissout dans le sang on mesure aussi l'acidité (pH), la concentration en ions
bicarbonate ([HCO3-])
Il faut distinguer dans ce cadre les acidoses et alcaloses gazeuses des acidoses et
alcaloses métaboliques.
Les premières sont en rapport avec les variations primitives de PCO2 que peuvent induire
les modifications de l'activité respiratoire. Les secondes sont, elles, en rapport avec des
variations de concentrations en ions H+ et/ou HCO3-
25
L’eau et le pH des solutions aqueuses
 Lien avec la clinique
26
L’eau et le pH des solutions aqueuses
Récapitulatif :
L’eau représente 55 à 60% de la masse corporelle d’un adulte
- véhicule de nombreuses molécules dissoutes
- participe à un grand nombre de réactions chimiques
- absorbe et libère la chaleur très lentement : homéostasie thermique
Les acides libèrent des ions H+ dans l’eau ; les bases des ions OH Notion de pH
27
1-
Des molécules aux organismes vivants
Atomes, ions, molécules
L’eau et les composés inorganiques
Les composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides, protéines)
Des molécules aux organismes vivants
28
Les composés organiques
Composé organique : contient au moins un carbone lié à un hydrogène
Les lipides
Les glucides
Les nucléotides : l’ATP et les acides nucléiques : ADN et ARN
Les protéines
29
Les composés organiques – Les lipides
18 à 25 % de la masse corporelle totale
Carbone et hydrogène, peu d’oxygène :
les lipides ne sont pas solubles dans l’eau, ils sont hydrophobes.
Triglycérides: les + abondants dans les aliments et dans l’organisme
Surtout dans le tissu adipeux = réserve énergétique des acides gras
Également dans le sang (lipoprotéines) = forme de transport des acides gras.
30
Les composés organiques – Les lipides
Acides gras:
AG saturés (saturés d’hydrogènes) : viandes rouges, lait entier, fromage, beurre
AG monoinsaturés : huile olive, huile arachide, noix, avocats
AG polyinsaturés : huile de maïs, tournesol, poissons gras
Sont dégradés par les cellules pour obtenir de l’énergie (dans la mitochondrie).
AG essentiels :
omega-3 (huiles de poissons et de noix)
omega-6 (produits transformés céréales pains)
AGPI omega-6 (w6) Acide linoléique
Formation d’acide arachidonique,
Synthèse de prostaglandines
AGPI omega-3 (w3) Acide a-linolénique
Rôle dans le fonctionnement cérébral et
visuel; synthèse de précurseurs anti-31
inflammatoires
Les composés organiques – Les lipides
Les phospholipides
Glycérol
2 AG
Phosphate
Sont amphiphiles:
Une tête phosphate
hydrophile
Deux queues lipidiques
hydrophobes
.
Les membranes cellulaires (membrane plasmique, membrane
des organites) sont composées de phospholipides.
32
Les composés organiques – Les lipides
L’assemblage des membranes cellulaires se fait de façon autonome.
Lipides
Lipides + phospholipides
Phospholipides
33
Les composés organiques – Les lipides
Les stéroïdes
Cholestérol
Le cholestérol entre aussi dans la composition des membranes cellulaires,
sert à la synthèse des hormones stéroïdiennes,
et
des sels biliaires.
34
Les composés organiques – Les glucides
Saccharides, Saccharum : sucre
2 à 3 % de la masse corporelle totale
principale fonction : source d’énergie rapidement disponible pour les
cellules (glucose).
Principalement carbone, hydrogène et oxygène,
molécules cycliques
glucose : C6H12O6
Sucre simple : monosaccharide,
un « ose »: hexose, pentose…
35
Les composés organiques – Les glucides
Disaccharides : formés de deux monosaccharides
lactose (sucre du lait)
galactose et glucose
saccharose (ou sucrose, sucre commercial)
glucose et fructose
36
Les composés organiques – Les glucides
Polysaccharides : sucres complexes
Formés de dizaines voire centaines de molécules
de glucose.
amidon (glucide des pates, pommes de terre)
glycogène (réserve de glucose dans le foie et les muscles)
cellulose (glucide des végétaux, non digeste: fibres alimentaires)
37
Les composés organiques – Les nucléotides
Phosphate
sucre
ATP
adénosine triphosphate
Base
azotée
Les acides nucléiques
phosphate
phosphate
2 chaînes de nucléotides
phosphate
ribose
1 chaîne nucléotides
adénine
ADN
acide
désoxyribonucléique
Fournit aux cellules
l’énergie nécessaire
aux réactions
chimiques.
contient l’information
génétique
ARN
acide ribonucléique
synthèse
des protéines
38
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Les acides nucléiques
Acide DésoxyriboNucléique (ADN) :
support de l’information génétique
Des chaînes de désoxyribose
s’associent avec 4 bases pour former l’ADN
Phosphate
désoxyribose
Adénine
Thymine
Guanine
Cytosine
Base
azotée
désoxyribose
39
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Les acides nucléiques: l’ADN
Les désoxyriboses se lient via des groupes phosphates (PO4).
40
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Les acides nucléiques: l’ADN
Les chaînes s’assemblent par des interactions A---T et C---G (liaisons hydrogène).
Les associations entre A et T ou C et G sont exclusives.
ADN : 3 milliards de nucléotides
Enchaînement : information génétique
41
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Les acides nucléiques: l’ADN
L’ADN est composée d’une double hélice.
42
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Les acides nucléiques:
Acides RiboNucléiques (ARN) :
messagers de l’information génétique
Des chaînes de ribose s’associent avec 4
bases pour former les ARN.
Phosphate
Adénine
ribose
Guanine
Base
azotée
Cytosine
Uracile
(à la place de la thymine)
43
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Les acides nucléiques: l’ARN
Contrairement à l’ADN,
les ARN sont des molécules
à un seul brin.
Les ARN sont plus courts que l’ADN
quelques centaines ou milliers de nucléotides.
44
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Les acides nucléiques: de l’ADN à l’ARN
Les ARN résultent de la transcription des parties codantes (gènes) de l’ADN.
ADN codant  1.5% de l’ADN
Gène 1
Gène 2
Gène 3
Transcription
ARN 1
ARN 2
ARN 3
45
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Lors de la transcription,
la séquence des nucléotides est conservée
ADN
A
C
G
T
ARN
A
C
G
U
Les ARN formés vont guider la synthèse de protéines :
ARN messagers (ARNm)
46
Les composés organiques – Les acides nucléiques
Les acides nucléiques: de l’ADN à l’ARN
1 gène :
un promoteur
(séquence spécifique de fixation d’une enzyme polymérase)
Un site de terminaison
(séquence où l’enzyme se décroche de l’ADN)
L’enzyme polymérase :
Fabrique des ARN à partir de l’ADN
47
Les composés organiques – Les protéines
12 à 18 % de la masse corporelle totale
Carbone, oxygène, azote, hydrogène, et un peu de soufre
constituées d’enchainements d’acides aminés (plusieurs dizaines
ou centaines).
acide aminé
Groupement
amine
Groupement
acide
Chaîne latérale
48
Les composés organiques – Les protéines
20 chaînes latérales possibles =
20 Acides Aminés (AA) différents
8 AA essentiels
= Leucine, Isoleucine, Phénylalanine,
Thréonine, Tryptophane, Valine,
Méthionine, Lysine.
49
Les composés organiques – Les protéines
Les AA s’associent par une liaison peptidique pour former…
+
Liaison peptidique
Peptide : petite protéine de moins de 50-100 AA
Protéine : enchaînement de plus de 50-100 AA
50
Les composés organiques – Les protéines
Rôles essentiels des protéines
-rôle structural pour les cellules ( actine…) et les tissus (collagène,
kératine...)
- Responsables de la grande majorité des fonctions dans la cellule et
l’organisme :
Enzymes : catalysent les réactions chimiques (de la digestion…)
Hormones et autres messagers : communications entre les cellules (insuline…) mais
aussi récepteurs aux hormones …
Protéines de transport (hémoglobine….)
Anticorps : défense immunitaire
51
Les composés organiques – Les protéines
Les enzymes catalysent les réactions chimiques
- Accélèrent des réactions lentes
- Permettent de nouvelles réactions
Les enzymes ne sont pas modifiées lors
des réactions qu’elles catalysent.
Les enzymes permettent:
-des réactions de
dégradation
de
Exemple
:
substances qui permettent
d’apporter de l’énergie
= CATABOLISME
-des réactions de synthèse de
nouvelles substances qui
saccharose
glucose + fructose
consomment
de 
l’énergie
= ANABOLISME
52
Les composés organiques – Les protéines
Les protéines résultent de la traduction des ARN messagers.
Patrimoine génétique
ADN
Gène 1
Gène 2
Gène 3
Transcription
ARN
ARN 1
ARN 2
ARN 3
Traduction
protéines
Protéine 2
Protéine 3
Fonctions et structures
53
Protéine 1
Les composés organiques – Les protéines
La fabrication des protéines (la traduction),
c’est-à-dire, l’enchaînement des 20 AA dépend directement
de l’enchaînement des 4 nucléotides dans l’ARN
Code génétique
1 codon = 1AA
ADN
A
C
G
T
ARN
A
C
G
U
protéines
Thréonine
54
Les composés organiques – De l’ADN aux protéines
Patrimoine génétique
ADN
ARN
protéines
Gène 1
Gène 2
Gène 3
Séquence des gènes peu variable
d’un individu à un autre;
notion d’allèle
Empruntes génétiques :
ADN entre les gènes
(spécifique à chaque individu)
Fonctions et structures
55
Les composés organiques – Récapitulatif
Récapitulatif :
Les lipides :
longues chaînes de carbones, hydrophobes
source énergétique importante
constituants des membranes des cellules
Les glucides :
C, O et H
petites molécules cycliques (monosaccharides)
très volumineuses molécules (polysaccharides)
source d’énergie rapidement disponible
ADN et ARN :
chaînes de (désoxy)riboses liés à 4 bases
ADN renferme l’information génétique et sert à fabriquer les
ARN messagers qui servent à fabriquer les protéines
Les protéines :
constituées d’acides aminés (20 ) dont l’enchaînement dépend
de la séquence des ARN et donc de l’ADN
responsables des structures et fonctions.
56
1-
Des molécules aux organismes vivants
Atomes, ions, molécules
L’eau et les composés inorganiques
Les composés organiques (lipides, glucides, acides nucléiques, protéines)
Des molécules aux organismes vivants
57
Des molécules aux organismes vivants
Des molécules aux organismes vivants
Est vivant :
tout système délimité par une
membrane semi-perméable de sa
propre fabrication
capable de s'auto-entretenir
capable de se reproduire en
fabriquant ses propres constituants.
La cellule est l’unité fondamentale de la vie.
Pour les organismes multicellulaires, la cellule est
l’unité structurale et fonctionnelle.
Des molécules aux organismes vivants
La terre a environ 5 milliards d’années
Apparition de la vie  3,5 à 3,8 milliards d'années
LUCA
Bactéries
plantes
champignons
Archéobactéries
animaux
Eucaryotes
60
Des molécules aux organismes vivants
Les bactéries sont des cellules procaryotes = sans noyau.
taille moyenne  1-5 µm
organismes unicellulaires
Des molécules aux organismes vivants
Les virus ne sont pas considérés comme organismes vivants .
Les virus sont des fragments d’acides nucléiques (ARN ou ADN) protégés par
des protéines et/ou des lipides.
Ils parasitent les cellules pour se multiplier.
Il existe des virus :
- à ARN (VIH, rotavirus, hépatite A, H1N1…)
- à ADN (Herpès, Varicelle,…)
Des molécules aux organismes vivants
Les cellules eucaryotes possèdent un noyau.
unicellulaire ou pluricellulaire
les cellules végétales, animales et les champignons.
Cellules humaines :
taille moyenne  50 µm = 0.050 mm
Une cellule eucaryote et ses organites
63
Au prochain cours
2-
Structures cellulaires
La membrane cellulaire
Le noyau, l’ADN et la transcription
Le cytoplasme et la traduction
Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes)
Les mitochondries
Le cytosquelette
64