Chapitre 1 les cellules et leur génomes

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1 Chapitre 1 les cellules et leur génomes

2 Les caractères universels de la vie sur terre
Toute organisme vivant est fait de cellules Remarquable variété des caractères individuels Remarquable constance des mécanismes fondamentaux

3 …il existe 10 principes universels de la vie sur terre
Toutes les cellules conservent l’information héréditaire sous la même forme: le code chimique linéaire de l’ADN Toutes les cellules reproduisent leur information génétique par polymérisation complémentaire Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la même forme intermédiaire: le RNA Toutes les cellules utilisent les protéines comme catalyseurs Toutes les cellules traduisent leur RNA en protéine de la même manière

4 10 principes universels de la vie sur terre
Le fragment de l’information génétique correspondant à une protéine est un gène La vie a besoin d’énergie libre Toutes les cellules fonctionnent comme des usines biochimiques qui utilisent toutes les mêmes composants moléculaires de base Toutes les cellules sont limitées par une membrane au travers de laquelle les aliments et les déchets doivent passer Une cellules peut vivre avec moins de 500 gènes

5 Structure de l’ADN 1. L’ADN est fait de sous-unités simples
phosphate sucre base Sucre phosphaté nucléotide 2. Brin d’ADN: nucléotides reliés par des liaisons sucre-phosphate 3. Polymérisation complémentaire d’un nouveau brin d’ADN Nucléotide monomeres

6 3. Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la même forme intermédiaire: le RNA Les cellules utilisent leurs archives pour guider la synthèse des autres molécules de la cellule en passant par deux étapes Synthèse de DNA replication Information linéaire sur polymères nucléotidique - desoxyribonucléotides ADN - ribonucléotides ARN d’acides aminés protéines Synthèse de l’ARN transcription 1 Synthèse protéique translation 2

7 3. Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la même forme intermédiaire: le RNA Les cellules doivent utiliser leurs archives pour guider la synthèse des autres molécules de la cellule en passant par deux étapes DNA double brin: archive transcription brin utilisé comme matrice pour la synthèse de l’ARN Production de nombreuses copies identiques d’ARN Transcrits, porteuses d’information

8 4.Toutes les cellules utilisent les protéines comme catalyseurs
protéine = chaîne polymérique non-branchée constituée d’acides aminés Protéine = polypeptide Acides aminés H2N C COOH H R Carbone alpha Groupement amine Groupement carboxyl chaîne latérale: il existe 20 chaînes latérales différentes

9 Les protéines sont des polypeptides
Chaines latérales Squelette polypeptidique Extrémité C-terminal Extrémité N-terminal Liaisons peptidiques

10 Le fonctionnement des ribosomes
chaîne polypeptidique s’allongeant Etape 1 ARNt chargé d’un aa Etape 3 ARNm 2 sous-unités du ribosome Etape 2 Etape 4

11 Formation d’une membrane par l’aggrégation de molécules amphipathiques
monocouche de phospholipides bi-couche phospholipidique

12 La vie peut utiliser différentes formes d’énergie libre
énergie chimique inorganique énergie solaire lithotrophique phototrophique bactéries (p. ex des fonds marins) algues, plantes bactéries énergie organique organotrophique

13 Bactéries lithotrophiques des fonds marins
basalte chaud solution minérale chaude communauté d’invertébrés eau chaude riche en minéraux H2S, Fe++ CO, Mn++, Ni++, CH2 NH4+ bactéries anaérobiques lithotrophiques cheminée hydrothermique ( métaux soufrés) 2-3°C plancher de l’océan 350°C infiltration d’eau

14 L’arbre de vie à 3 branches
homme maïs levure cellule ancestrale commune 1 différence/ 10 nucléotides

15 PROKARYOTES EUKARYOTES 1. membrane nucléaire absente présente
2. taille des cellules petite grande 3. paroi cellulaire rigide membrane souple 4. génome génome compact pb gènes large génome 6000 – gènes 5. organisation intracellulaire pas de compartiments cellulaires compartiments cellulaires et cytosquelette 6. organismes unicellulaire (unicellulaires= protistes) pluricellulaires

16 Apparition de gènes et évolution des génomes
Les nouveaux gènes sont formés à partir de gènes pré-existants La duplication de gènes donne naissance à une famille de gènes semblables dans une cellule Les gènes peuvent être transmis d’un organisme à l’autre L’échange horizontal d’information génétique dans une espèce est réalisée par la reproduction sexuée

17 1. Les nouveaux gènes sont formés à partir de gènes pré-existants
génome original innovation génétique MUTATION INTRAGENIQUE DUPLICATION DE GENE REARRANGEMENT DE SEGMENTS GENIQUES

18 Duplication de gènes à l’intérieur d’une espèce
Organisme ancestral Organisme ancestral SEPARATION EN 2 ESPECES DISTINCTES DUPLICATION GENIQUE ET DIVERGENCE Organisme ancestral plus tardif espèce A espèce B Gènes A et B sont orthologues Fonction conservée Gènes A et B sont Paralogues Fonctions divergentes

19 Rôle du transfert horizontal de gènes au début de l’évolution
Transfert fréquent des gènes dans la communauté de cellules primordiale archaebactéries eubactéries eukaryotes Cellules modernes, échangeant Rarement des gènes

20 >200 familles de gènes sont conservées parmi les vivants des 3 branches de « l’arbre de vie »
La fonction d’un gène est souvent prévisible par l’analyse de sa séquence La fonction d’un gène se révèle par ses mutations (approches génétique et biochimique) En comparant les génomes de 2 archaebactéries, de 2 eubactéries, et d’un eukaryotes, on identifie 239 familles de gènes conservées Translation: 61 Transport/métabolisme des aa : 40

21 La mitochondrie descend d’une eubactérie aérobique phagocytée par une cellule eukaryote anaérobique
cellules eucaryote ancestrale anaérobique cellule eucaryote primitive membrane interne noyau mitochondrie avec double membrane bactérie aérobique années

22 cellule eucaryote primitive
Le chloroplaste descend d’une eubactérie photosynthétique phagocytée par une cellules eukaryotes aérobique cellule eucaryote primitive aérobique cellule eucaryote primitive capable de photosynthèse chloroplastes bactéries photosynthétique 02 + CO2 sucres Lumière du soleil

23 cellule eucaryote primitive
dépend de matière organique membrane souple déplacement capture CHASSE cellule végétale photosynthèse paroi rigide immobile ELEVAGE cellule de champignon/levure dépend de matière organique membrane relativement rigide capture immobile PARASITE

24 Différences entre les génomes
Prokaryotes (eubactéries) Eukaryotes (homme) Taille du génome 109 paires de bases X1000 Nombre de gènes 1.500 30.000 X20 ADN non codant 11% 98.5% X

25 Prokaryote modèle: E coli
classe eubactérie avantage Croissance rapide sur milieu simple génome Circulaire 4.6 megabases # gènes 4300 information compacte origine de replication E coli nucléotides fin de replication

26 Une levure comme modèle eukaryote minimal: Saccharomyces cervisiae
classe champignon avantage Croissance rapide sur milieu simple taille du génome 12.6 megabases # de gènes 6.300 information compacte utilité Division cellulaire noyau paroi cellulaire mitochondrie

27 Modèle de plante: Arabidopsis thaliana
classe plante avantage milliers de pousses en 8-10 semaines taille du génome 140 mégabases # de gènes 26.000 information +/- compacte utilité représentatif des plantes à fleur

28 Le monde animal est représenté par un vers, une mouche, une souris et l’homme
classe mammifère avantage Reproduction rapide médecine, évolution,… taille du génome 3.2 gigabases # de gènes 30.000 information Duplications++ ADN non-codant+++ utilité Phénotype des mutations

29 les cellules et leur génomes résumé
Toute organisme vivant est fait de cellules Remarquable constance des mécanismes fondamentaux: 10 principes essentiels Remarquable variété des caractères individuels: Les génomes évoluent l’arbre de vie à 3 branches La comparaison des génomes révèle le rôle des gènes, le fonctionnement des organismes et la relation évolutive des espèces