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1 COURS de Biologie Fondamentale Stéphanie LUCAS IFSI 2009-2010 19 heures.

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1 1 COURS de Biologie Fondamentale Stéphanie LUCAS IFSI heures

2 22

3 3 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 Stéphanie LUCAS 5- Cellules musculaires et nerveuses Damien LETERME

4 4 1- Des molécules aux organismes vivants Atomes, ions, molécules Leau et le pH des solutions aqueuses Les composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides, protéines) Des molécules aux organismes vivants 2-Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau Le cytoplasme Les mitochondries Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Le cytosquelette 3-Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires Cellules souches (embryonnaires et adultes) Division cellulaire Différenciation cellulaire Mort cellulaire (apoptose/nécrose) 4-Communications intercellulaires Types de communications Les molécules des communications Les récepteurs cellulaires Les réponses cellulaires 5- Cellules musculaires et nerveuses Potentiel de repos Potentiel d'action, codage de l'information Transmission synaptique Contraction musculaire

5 5 LES DIFFERENTS NIVEAUX DE STRUCTURE DU CORPS

6 6 1- Des molécules aux organismes vivants Atomes, ions, molécules Leau et le pH des solutions aqueuses Les composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides, protéines) Des molécules aux organismes vivants

7 26 éléments sont présents dans le corps humain 4 éléments constituent 96% de la masse corporelle 7 Atomes, ions, molécules

8 8 26 sont présents dans le corps humain 4 constituent 96% de la masse corporelle Atomes, ions, molécules 7 éléments autres 4% restants

9 9 26 sont présents dans le corps humain 4 constituent 96% de la masse corporelle 7 autres 4% restants Oligoéléments moins de 0.2% Atomes, ions, molécules

10 10 Eléments constitués datomes, désignés par 1 ou 2 lettres (H, C, Ca…) Dans un atome, autant de - que de protons charge nulle Atomes constitués de noyaux autour desquels gravitent des électrons. Atomes, ions, molécules Ex: calcium Ca 2+, car il a perdu 2 e - Ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Il est chargé positivement ou négativement.

11 11 Les atomes peuvent partager des e - : ils sassocient alors en molécules Atomes, ions, molécules

12 12 Liaisons covalentes : les atomes partagent des électrons Liaisons covalentes simples : les atomes partagent une paire délectrons (C-C) Liaisons covalentes doubles : les atomes partagent 2 paires délectrons (C=C) Liaisons covalentes triples : les atomes partagent 3 paires délectrons (CC) Les atomes peuvent partager des e - : ils sassocient alors en molécules Atomes, ions, molécules

13 13 Sodium Na + Chlore Cl - Chlorure de sodium NaCl Atomes, ions, molécules Liaisons ioniques : les atomes ou molécules avec des charges opposées sassocient des ions un sel cation anion

14 14 Liaisons hydrogène : les hydrogènes liés à des atomes doxygène dans les molécules sont plutôt + Ils peuvent notamment interagir avec des oxygènes qui sont plutôt chargés - Liaisons hydrogène sont responsables : - de létat liquide de leau sur terre - de la forme en double hélice de lADN - de la forme des protéines Atomes, ions, molécules

15 15 Le ionogramme est un examen qui analyse la concentration en ions dun 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 anions (négatifs) tels que : le chlorure Cl -anions les bicarbonates HCO 3 - les phosphates HPO les sulfates SO 4 2- les cations (positifs) tels que : le sodium Na +cations le potassium K + le calcium Ca 2+ le magnésium Mg 2+ Lien avec la clinique Atomes, ions, molécules

16 16 Récapitulatif : 4 éléments ou atomes 96% masse corporelle : O, C, H et N (eau et composés organiques) Molécules : associations datomes par des liaisons Liaisons covalentes : atomes partagent des électrons (H 2 O) Liaisons ioniques : des atomes chargés se « rapprochent » (NaCl) Liaisons hydrogènes : un hydrogène se rapproche dun oxygène 7 éléments 4% masse corporelle oligoéléments moins de 0.2% masse corporelle Atomes, ions, molécules

17 1- Des molécules aux organismes vivants Atomes, ions, molécules Leau et le pH des solutions aqueuses Les composés organiques (lipides, glucides, acides nucléiques, protéines) Des molécules aux organismes vivants 17

18 18 55 à 60% de la masse corporelle dun adulte intérieur des cellules milieu extracellulaire liquides corporels (sang, lymphe…) - véhicule de nombreuses molécules dissoutes - participe à un grand nombre de réactions chimiques - absorbe et libère la chaleur très lentement : homéostasie thermique Leau Milieux aqueux

19 19 De nombreux composés inorganiques et organiques sont dissouts dans leau Les acides libèrent des ions H + (protons, oxonium) dans leau ; les bases des ions OH - (hydroxydes) dans leau. Plusieurs sont des acides ou des bases. Les notions dacide et base

20 20 Une solution est dite acide si elle contient plus dions H + que dions OH – : [H + ] > [OH - ] Une solution est dite basique (ou alcaline) si elle contient plus dions OH - que dions H + : [OH - ]>[H + ] Lacidité ou lalcalinité sexprime par le pH (potentiel Hydrogène), qui va de 0 à 14. pH = - log [H + ] Leau et le pH des solutions aqueuses Une solution est dite neutre si elle contient autant dions OH - que dions H + : [OH - ]=[H + ]

21 21 Lacidité ou lalcalinité sexprime par le pH (potentiel Hydrogène), qui va de 0 à 14 pH = - log [H + ] Leau et le pH des solutions aqueuses Exemples: pH dune solution avec [H + ]=0,0001 moles/L = moles/L ? Concentration en [H + ] dune solution à pH 3 ? [H + ] = moles/l =0,001 moles/L

22 22 Cellules 7.2 – 7.4 Substances présentes dans le corps humain Leau et le pH des solutions aqueuses

23 23 Limites de pH sanguin physiologiques: 7,35 à 7,45 [H + ] = 4, à 3,54 x mol/l Lien avec la clinique 3) La respiration : élément important du contrôle de l'équilibre acide/base du sang Leau et le pH des solutions aqueuses Si alcalose:H 2 CO 3 H + + HCO3 - Si acidose:H + + HCO3 - H 2 CO 3 H 2 O + CO 2 ACIDE CARBONIQUE DIOXYDE DE CARBONE EAU ION OXONIUM ION BICARBONATE 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: lurine) 2) des systèmes tampons efficaces : Ex: le système acide carbonique- bicarbonate

24 24 Leau 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'O 2 (PaO 2 ) et le CO 2 (PaCO 2 ) dissout dans le sang on mesure aussi l'acidité (pH), la concentration en ions bicarbonate ([HCO 3 -])pression partielleaciditéions bicarbonate

25 25 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'O 2 (PaO 2 ) et le CO 2 (PaCO 2 ) dissout dans le sang on mesure aussi l'acidité (pH), la concentration en ions bicarbonate ([HCO 3 -])pression partielleaciditéions bicarbonate Lien avec la clinique 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 PCO 2 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 HCO 3- Peut aussi en être un élément perturbateur. Hyperventilation : de PCO 2 et donc de pH sanguin: une alcalose. Hypoventilation : de PCO 2 et donc une acidose. Respiration : élément important du contrôle de l'équilibre acide/base du sang Leau et le pH des solutions aqueuses

26 26 Leau et le pH des solutions aqueuses Lien avec la clinique

27 27 Récapitulatif : Leau représente 55 à 60% de la masse corporelle dun 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 leau ; les bases des ions OH - Notion de pH Leau et le pH des solutions aqueuses

28 28 1- Des molécules aux organismes vivants Atomes, ions, molécules Leau et les composés inorganiques Les composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides, protéines) Des molécules aux organismes vivants

29 29 Les composés organiques Composé organique : contient au moins un carbone lié à un hydrogène Les glucides Les lipides Les protéines Les nucléotides : lATP et les acides nucléiques : ADN et ARN

30 30 18 à 25 % de la masse corporelle totale Carbone et hydrogène, peu doxygène : les lipides ne sont pas solubles dans leau, ils sont hydrophobes. Les composés organiques – Les lipides Triglycérides : les + abondants dans les aliments et dans lorganisme Surtout dans le tissu adipeux = réserve énergétique des acides gras Également dans le sang (lipoprotéines) = forme de transport des acides gras.

31 31 AG saturés (saturés dhydrogènes) : viandes rouges, lait entier, fromage, beurre AG monoinsaturés : huile olive, huile arachide, noix, avocats AG polyinsaturés : huile de maïs, tournesol, poissons gras AG essentiels : omega-3 (huiles de poissons et de noix) omega-6 (produits transformés céréales pains) Les composés organiques – Les lipides Acides gras: Sont dégradés par les cellules pour obtenir de lénergie (dans la mitochondrie). AGPI omega-6 ( 6) Acide linoléique AGPI omega-3 ( 3) Acide -linolénique Formation dacide arachidonique, Synthèse de prostaglandines Rôle dans le fonctionnement cérébral et visuel; synthèse de précurseurs anti- inflammatoires

32 32 Les membranes cellulaires (membrane plasmique, membrane des organites) sont composées de phospholipides. Les composés organiques – Les lipides Les phospholipides Glycérol 2 AG Phosphate. Sont amphiphiles: Une tête phosphate hydrophile Deux queues lipidiques hydrophobes

33 33 Lassemblage des membranes cellulaires se fait de façon autonome. Lipides Lipides + phospholipidesPhospholipides Les composés organiques – Les lipides

34 34 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.

35 35 2 à 3 % de la masse corporelle totale Saccharides, Saccharum : sucre Les composés organiques – Les glucides principale fonction : source dénergie rapidement disponible pour les cellules (glucose). Principalement carbone, hydrogène et oxygène, molécules cycliques glucose : C 6 H 12 O 6 Sucre simple : monosaccharide, un « ose »: hexose, pentose…

36 36 Disaccharides : formés de deux monosaccharides lactose (sucre du lait) galactose et glucose saccharose (ou sucrose, sucre commercial) glucose et fructose Les composés organiques – Les glucides

37 37 Formés de dizaines voire centaines de molécules de glucose. glycogène (réserve de glucose dans le foie et les muscles) amidon (glucide des pates, pommes de terre) cellulose (glucide des végétaux, non digeste: fibres alimentaires) Polysaccharides : sucres complexes Les composés organiques – Les glucides

38 38 Les composés organiques – Les nucléotides sucre Base azotée Phosphate ATP adénosine triphosphate riboseadénine phosphate Fournit aux cellules lénergie nécessaire aux réactions chimiques. ADN acide désoxyribonucléique ARN acide ribonucléique Les acides nucléiques 2 chaînes de nucléotides contient linformation génétique 1 chaîne nucléotides synthèse des protéines

39 39 Acide DésoxyriboNucléique (ADN) : support de linformation génétique désoxyribose Les composés organiques – Les acides nucléiques désoxyribose Base azotée Phosphate Des chaînes de désoxyribose sassocient avec 4 bases pour former lADN Adénine Thymine Guanine Cytosine Les acides nucléiques

40 40 Les désoxyriboses se lient via des groupes phosphates (PO 4 ). Les composés organiques – Les acides nucléiques Les acides nucléiques: lADN

41 41 Les chaînes sassemblent 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 Les composés organiques – Les acides nucléiques Les acides nucléiques: lADN

42 42 LADN est composée dune double hélice. Les composés organiques – Les acides nucléiques Les acides nucléiques: lADN

43 43 Adénine Guanine Cytosine Uracile (à la place de la thymine) Des chaînes de ribose sassocient avec 4 bases pour former les ARN. Les composés organiques – Les acides nucléiques Les acides nucléiques: Acides RiboNucléiques (ARN) : messagers de linformation génétique ribose Base azotée Phosphate

44 44 Contrairement à lADN, les ARN sont des molécules à un seul brin. Les ARN sont plus courts que lADN quelques centaines ou milliers de nucléotides. Les composés organiques – Les acides nucléiques Les acides nucléiques: lARN

45 45 Les ARN résultent de la transcription des parties codantes (gènes) de lADN. Transcription Gène 1Gène 2Gène 3 ARN 1ARN 2ARN 3 ADN codant 1.5% de lADN Les acides nucléiques: de lADN à lARN Les composés organiques – Les acides nucléiques

46 46 Lors de la transcription, la séquence des nucléotides est conservée ADNACGT ARNACGU Les ARN formés vont guider la synthèse de protéines : ARN messagers (ARNm) Les composés organiques – Les acides nucléiques

47 47 1 gène : un promoteur (séquence spécifique de fixation dune enzyme polymérase) Un site de terminaison (séquence où lenzyme se décroche de lADN) Lenzyme polymérase : Fabrique des ARN à partir de lADN Les acides nucléiques: de lADN à lARN Les composés organiques – Les acides nucléiques

48 Groupement acide à 18 % de la masse corporelle totale Carbone, oxygène, azote, hydrogène, et un peu de soufre Les composés organiques – Les protéines constituées denchainements dacides aminés (plusieurs dizaines ou centaines). Groupement amine Chaîne latérale acide aminé

49 49 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.

50 50 + Liaison peptidique Peptide : petite protéine de moins de AA Protéine : enchaînement de plus de AA Les composés organiques – Les protéines Les AA sassocient par une liaison peptidique pour former…

51 51 - Responsables de la grande majorité des fonctions dans la cellule et lorganisme : 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 Les composés organiques – Les protéines Rôles essentiels des protéines -rôle structural pour les cellules ( actine…) et les tissus (collagène, kératine...)

52 52 Les enzymes catalysent les réactions chimiques - Accélèrent des réactions lentes - Permettent de nouvelles réactions Les enzymes ne sont pas modifiées lors des réactions quelles catalysent. Exemple : saccharose glucose + fructose Les composés organiques – Les protéines Les enzymes permettent: -des réactions de dégradation de substances qui permettent dapporter de lénergie = CATABOLISME -des réactions de synthèse de nouvelles substances qui consomment de lénergie = ANABOLISME

53 53 Transcription Gène 1Gène 2Gène 3 ARN 1ARN 2ARN 3 Traduction Protéine 1 Protéine 2Protéine 3 ADN ARN protéines Patrimoine génétique Fonctions et structures Les composés organiques – Les protéines Les protéines résultent de la traduction des ARN messagers.

54 ADNACGT ARNACGU Code génétique 1 codon = 1AA 54 La fabrication des protéines (la traduction), cest-à-dire, lenchaînement des 20 AA dépend directement de lenchaînement des 4 nucléotides dans lARN Les composés organiques – Les protéines protéines Thréonine

55 55 Gène 1Gène 2Gène 3 ADN ARN protéines Patrimoine génétique Fonctions et structures Séquence des gènes peu variable dun individu à un autre; notion dallèle Empruntes génétiques : ADN entre les gènes (spécifique à chaque individu) Les composés organiques – De lADN aux protéines

56 56 Récapitulatif : Les glucides :C, O et H petites molécules cycliques (monosaccharides) très volumineuses molécules (polysaccharides) source dénergie rapidement disponible Les lipides : longues chaînes de carbones, hydrophobes source énergétique importante constituants des membranes des cellules Les protéines :constituées dacides aminés (20 ) dont lenchaînement dépend de la séquence des ARN et donc de lADN responsables des structures et fonctions. ADN et ARN : chaînes de (désoxy)riboses liés à 4 bases ADN renferme linformation génétique et sert à fabriquer les ARN messagers qui servent à fabriquer les protéines Les composés organiques – Récapitulatif

57 57 1- Des molécules aux organismes vivants Atomes, ions, molécules Leau et les composés inorganiques Les composés organiques (lipides, glucides, acides nucléiques, protéines) Des molécules aux organismes vivants

58

59 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 lunité fondamentale de la vie. Pour les organismes multicellulaires, la cellule est lunité structurale et fonctionnelle.

60 60 Des molécules aux organismes vivants Apparition de la vie 3,5 à 3,8 milliards d'années La terre a environ 5 milliards dannées LUCA Bactéries Archéobactéries Eucaryotes plantes champignons animaux

61 Des molécules aux organismes vivants Les bactéries sont des cellules procaryotes = sans noyau. taille moyenne 1-5 µm organismes unicellulaires

62 Des molécules aux organismes vivants Les virus sont des fragments dacides nucléiques (ARN ou ADN) protégés par des protéines et/ou des lipides. Ils parasitent les cellules pour se multiplier. - à ARN (VIH, rotavirus, hépatite A, H1N1…) - à ADN (Herpès, Varicelle,…) Il existe des virus : Les virus ne sont pas considérés comme organismes vivants.

63 63 Des molécules aux organismes vivants 63 Les cellules eucaryotes possèdent un noyau. unicellulaire ou pluricellulaire les cellules végétales, animales et les champignons. Cellules humaines : taille moyenne 50 µm = mm Une cellule eucaryote et ses organites

64 64 2-Structures cellulaires La membrane cellulaire Le noyau, lADN et la transcription Le cytoplasme et la traduction Les membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi, lysosomes) Les mitochondries Le cytosquelette Au prochain cours


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