COURS 2: LA CELLULE (SUITE DU COURS 2)

Organites endosymbiotiques Origine endosymbiotique de la mitochondrie et du chloroplaste : Théorie de l’endosymbiose: Internalisation d’un procaryote hétérotrophe aérobie (qui deviendra la mitochondrie) puis d’un procaryote photosynthétique (chloroplaste) dans un proto-eucaryote Ancetre anaerobie = peu efficace pour faire de l’energie, grosse cellule predatrice. Petites cellules aerobies plus efficace a faire de l’energie consommees comme proie par cellule anaerobiesdebut de la symbiose Fig 6.16

Organites endosymbiotiques Caractéristiques des organites endosymbiotiques qui appuient la théorie: Une membrane externe et une membrane interne La cellule ne peut pas produire de chloroplastes ou mitochondries par elle-même Division par scission (comme chez les bactéries) Génome circulaire ARN ribosomiques propres – proches de ceux des bactéries Membrane interne avec protéines et systèmes de transport identiques à ceux rencontrés chez les bactéries

Chloroplaste: structure Dimension : 2 x 5 µm La double membrane défini un espace = Stroma Stroma contient ADN (circulaire), ribosomes, enzymes = lieu du cycle de Calvin Thylakoïdes: sacs membranaires internes empilés en un granum / des grana: Absorption de la lumière (Chlorophylle) Transfert d’électrons Synthèse d’ATP Espace défini par les thylakoïdes = espace intrathylakoïdien (2) (3) Membrane des thylakoïdes Membrane ext. Membrane int. Thylakoïdes Stroma ATP monnaie d’echange energetique de la cellule Granum Fig 7.3 Russel et al. 2010 1 2 3

Chloroplaste: fonction Réactions photochimiques Cycle de Calvin énergie lumineuse  énergie chimique énergie chimique  glucide dans la membrane des thylakoïdes dans le stroma Porteurs d’énergie chimique : NADPH + H+ (électrons à haute énergie) ATP (liaison phosphate) Fig 10.6

Produit net de la photosynthèse: Le cycle de Calvin Fabrication de molécules organiques (glucose) à partir du CO2 grâce à l’énergie des réactions photochimiques (ATP et NADPH/H+) Fixation du carbone par une enzyme: Ribulose diphosphate carboxylase/oxygénase (RuBisCO): Une des protéines les plus abondantes sur terre (très nombreuses copies dans chloroplastes) RuBisCO synthétisée à partir du génome du noyau et de celui du chloroplaste (combinaison de 2 sous-unités) Produit net de la photosynthèse: 6 CO2 + 6 H20 + énergie lumineuse  C6H12O6 + 6 O2

Mitochondrie : structure 1 à 10 µm de long Repliements de la membrane interne : crêtes Espace intermembranaire / Matrice ADN circulaire distinct de l’ADN nucléaire Reproduction par fission (pas mitose) Plus de détail dans cours 10 Fig. 6.17

Mitochondries: fonction 1. Transformation de l’énergie chimique contenue dans les macromolécules en énergie utilisable par la cellule, l’ATP = respiration cellulaire: Cycle de Krebs dans la matrice Chaîne de transport d’électrons (phosphorylation oxydative) dans la membrane interne On trouve deux fois plus de mitochondries dans les cellules musculaires en activité régulière que dans celles rarement actives 2. Voie intrinsèque de l’apoptose = mort cellulaire programmée, par libération de cytochrome C dans le cytoplasme 3. Stockage d’ions (calcium, sodium, potassium)

Mitochondries Héritées de la mère Concentrées dans les cellules (et à proximité des structures) qui ont besoin de beaucoup d’énergie.

Autres organelles endosymbiotiques: Les plastes Plastes: diversité de structure D’autres organites végétaux : Chromoplastes (pigments : carotènes, xanthophylles) Dans les fleurs, fruits, racines etc… Amyloplastes (stockage de l’amidon) Graines, tubercules, etc…

Kleptoplastie Elysia chlorotica (limace de mer, gastéropode) « vol » d’un plaste (généralement un chloroplaste) par un organisme Différent de l’endosymbiose Plastes non permanents Ingérés lors de l’alimentation Ne de divisent pas toujours avec la cellule hôte  besoin de renouvellement Ne sont pas transmis à la descendance Représente potentiellement une étape intermédiaire vers l’endosymbiose Elysia chlorotica: Plastes ne sont pas digérés et restent stockés dans les cellules du système digestif transfert de matériel génétique vers le noyau de l’hôte a été observé Source: http://cgdc3.igmors.u-psud.fr/microbiologie/partie1/chap5_3_symb_plast.htm Pour en savoir plus: http://cgdc3.igmors.u-psud.fr/microbiologie/partie1/chap5_3_symb_plast.htm Elysia chlorotica (limace de mer, gastéropode) Vaucheria (algue verte) Source: http://protist.i.hosei.ac.jp/

Cours 3 et 4: La Chimie de la vie Les macromolécules Principe de bases de la chimie du vivant Macromolécules I: les glucides

Hiérarchie des niveaux structuraux Éléments /atomes Petites molécules Macromolécules Organites/Structures Cellule

Les éléments Élément= Substance composant la matière qui ne peut être décomposée en substance plus simple

Éléments les plus courants 96% de la matière vivante composée de: C - carbone 18% H - hydrogène 9.5% O - oxygène 65% N - azote 3.3% Les 4% restants sont majoritairement : P – phosphore S – soufre Ca – calcium K – potassium

Les atomes Atome: Plus petite unité d’un élément qui conserve les propriétés de cet élément Atome d’hélium (He) 2 neutrons 2 protons 2 électrons Particules subatomiques 12C= 6 + (6 /6) 14C= 8 neutrons / (6 protons / 6 electrons) Numéro atomique (nombre de protons et d’électrons 2 4 He Nombre de masse (nombre de neutrons + protons) Si le nombre de masse est différent, on a affaire à un isotope: Ex: Carbone 12 (le plus courant) et carbone 14 (rare, 2 neutrons en +)

Les molécules Carbone Magnésium Hydrogène Molécule: Ensemble d’au moins deux atomes reliés par des liaisons covalentes Ex: Molécule de chlorophylle

Liaisons chimiques Liaisons fortes : liaisons covalentes Liaisons de faible énergie : Liaisons hydrogènes Liaisons ioniques (dans la cellule) Interactions (pas des « liaisons » en soit): Forces de Van der Walls Interactions hydrophobes

La liaison covalente Formation par mise en commun d’électrons entre 2 atomes

La liaison covalente : quelques exemples Liaison dite « forte »: Energie nécessaire pour rompre une liaison covalente: ~90kcal/mol Liaison simple et liaison double Liaison polaire et apolaire Contrainte sur la forme de la liaison donc sur la conformation de la molécule Fig 2.12

La polarité des liaisons Dépend de l’électronégativité des atomes qui la compose Atomes très électronégatifs attirent les électrons: Ex: Chlore (électronégativité relative: 3.0) Quand atomes ont une différence importante d’ électronégativité: Création d’un dipôle  liaison polaire Quand les atomes n’ont pas de différence d’électronégativité importante: liaison apolaire (non-polaire) 2.1 3.0 2.1 2.5 Oxygène (O) et azote (N) très électronégatifs. Carbone (C) peu électronégatif

Toutes les molécules ne sont pas polaires Pas de liaisons polaires: CH4 (methane) Liaison polaires / directions opposées: CO2, CCl4 Les dipôles s’annulent  Molécules apolaires d- d+ d-

Polarité des molécules Effet secondaire de la liaison covalente de l’oxygène et l’hydrogène : la polarité de la molécule d’eau

La liaison hydrogène Les charges partielles positives de l’hydrogène vont être attirées par les charges négatives des atomes d’oxygène ou d’azote Cela crée des interactions faibles entre les molécules : les liaisons hydrogène Peu de contraintes spatiales pour cette liaison Energie nécessaire pour casser cette liaison : 1 à 5 kcal/mol

L’eau est une molécule permettant la vie Représente 75-85% du poids total de la cellule Molécule polaire La cohésion de l’eau liquide est due aux liaisons hydrogènes entre molécules d’eau. Fig 3.4 : tension superficielle Figure 3.2 Molécule d’eau: http://www.youtube.com/watch?v=XHDBdtrfRyo

L’eau est une molécule permettant la vie Sous forme liquide, les liaisons hydrogène de l’eau sont cassées et reformées en permanence. Sous forme solide (glace) elles sont stables. La glace est moins dense que l’eau liquide  flotte et protège les couches d’eau inférieures L’eau conserve la chaleur et permet de réduire les écart de température Figure 3.6

L’eau: solvant de la vie Les charges partielles de la molécule d’eau permettent de dissoudre les composés ioniques ou les moléculaires polaires. L’eau est un solvant pour ces composés. Une solution = mélange liquide homogène de plusieurs composants : - Majoritaire : solvant - Minoritaire : soluté NaCl  Na+ + Cl- Figure 3.7

L’eau: solvant de la vie L’eau est un solvant : - Les composés ioniques sont solubles dans l’eau et établissent des liaisons ioniques (entre élément chargés) -Les molécules polaires peuvent ne pas se dissoudre dans l’eau et pourtant créer des liaisons hydrogènes avec les molécules d’eau : on dit que ces molécules sont hydrophiles (ex. fibres de coton = cellulose) - Les molécules qui ne sont ni polaires ni ioniques n’interagissent pas avec l’eau mais interagissent avec elles-mêmes : elles sont hydrophobes. Figure 3.7

Liaisons ioniques Lorsque la différence de électronégativité entre 2 atomes est très importante. L’atome électronégatif va “voler” l’électron de l’autre atome  création d’entités chargées, les ions. Ex: NaCl Na+Cl- (sel de cuisine) Cristaux très solides car les ions sont proches et forment des liaisons fortes (mais pas autant que les liaisons covalentes) En solution dans l’eau: liaisons très faibles car les molécules d’eau se placent entre les ions

Les interactions hydrophobes Ce ne sont pas des liaisons chimiques comme les liaisons covalentes ou ioniques, mais le regroupements des éléments hydrophobes entre eux. Ex: les partie hydrophobes d’une chaîne polypeptidique vont se rapprocher spontanément car elles sont exclues (poussées en dehors) du milieu aqueux par le réseau de liaisons hydrogènes de l’eau Ex: Les molécules hydrophobes dans une solution aqueuse vont être exclues du milieu aqueux et se regrouper Van de Walls: forces d’attraction a tres faible distance entre molecules non polaires

Forces de Van Der Walls Forces d’attraction très faible entre atomes Uniquement quand atomes orientés correctement Dans molécules non polaires En grand nombre, contribuent au repliement des molécules Permet au Gecko de marcher sur les murs Source: Wikipedia.org

Eau et pH Dissociation de l’eau H2O = H+ + OH- (2 H2O = H3O+ + OH- ) Réaction réversible, présente en permanence, produit de petites quantités d’ions hydroxyde (OH-) et oxonium (H3O+). Le pH (potentiel hydrogène) est la mesure du rapport de la quantité entre les deux ions hydroxyde et oxonium pH exprimé entre 0 (acide) et 14 (basique) Les acides sont les composés dont la mise en solution aqueuse libère des ions H+, ou séquestre des ions OH- Ex: HCl  H+ + Cl- Les bases sont les composés dont la mise en solution aqueuse libère des ions OH-, ou séquestre des ions H+ Ex: NH3 + H+ NH4+ NaOH  Na+ + OH-

Eau et pH Dans nos cellules, le pH est extrêmement contrôlé car les processus cellulaires ne sont possibles qu’à des valeurs de pH proches de 7.4 Ce contrôle est effectué via des solutions tampons qui libèrent des protons quand le pH augmente, ou séquestre les protons quand le pH diminue : HCO3- + H+     H2CO3 ion carbonate Acide carbonique

Le carbone Le carbone : un élément fondamental des molécules biologiques Le carbone établit des liaisons fortes (liaisons covalentes) avec les autres atomes Energie C-H équivaut à 70-100 Kcal/mol

Diversité des liaisons C-C dans les chaines carbonées Figure 4.5

Isomères Même formule brute, mais arrangement different des atomes: Ex: Isomères cis / trans (double liaison C=C): Isomère cis Isomère trans

Diversité des liaisons C-C dans les chaines carbonées : images-miroir Figure 4.7 Carbone asymétrique: Différents groupements sur chacune des 4 liaisons covalentes Configuration S (sinistra: gauche) Configuration R (rectus: droite) Fig 4.8

Carbone et molécules biologiques Les molécules constituées de carbone et d’hydrogène sont des hydrocarbures Chaînes d’hydrocarbure Propriétés hydrophobes Stockage d’énergie sous forme d’un très grand nombre de liaison covalentes C-H

Liaisons entre Carbone et autres atomes : les groupements fonctionnels des molécules organiques Fig. 4.9a

Liaisons entre Carbone et autres atomes : les groupements fonctionnels des molécules organiques Fig. 4.9b

Liaisons entre Carbone et autres atomes : groupement phosphate Groupe amine forme ionique NH3+ : « base » ATP : Adénosine Triphosphate Base azotée 3 groupements phosphate en série Sucre : squelette à 5 carbones, refermé en un cycle

ATP : Adénosine Tri-Phosphate La cellule utilise l’énergie stockée dans l’ATP pour effectuer des réactions biologiques. Énergie relâchée ~ 50KJ/mol (dans la cellule) Phosphates très électronégatifs se repoussent mutuellement. L’hydrolyse relâche l’énergie emmagasinée dans la molécule d’ATP.

Cours 4 et 5: La Chimie de la vie Les macromolécules Principe de bases de la chimie du vivant Les macromolécules I: les glucides Cours 5: Les macromolécules II Les protéines Les acides nucléiques Les lipides

Macromolécules Molécules organiques complexes et de très grande taille Conservées dans tous les organismes 4 grands types: Glucides Protéines Acides nucléiques Lipides  Polymères  Pas des Polymères

Les monomères de glucides : les monosaccharides « Sucres simples » ou « oses » Formule moléculaire: CnH2nOn où n=3 à 7 5 et 6 les + courants (pentoses et hexoses) Exemple: le glucose C6H12O6 Carbones asymétriques isomères Glucose Structure cyclique (représentation de Haworth) Structure linéaire (représentation de Fischer)

Les monomères de glucides : les monosaccharides De manière spontanée dans la cellule, le glucose est sous forme circulaire, ou cyclique Carbones numérotés à partir du groupement carbonyle Figure 5.7 Deux conformations possibles pour le glucose: α- ou β-D-glucose

Monosaccharides Isomères de structure Les monomères des glucides : les monosaccharides ou oses CnH2nOn Groupement carbonyle : aldéhyde : aldose cétone : cétose Variation en fonction de n : de trois (triose) à sept (heptose) en majorité Le plus important : glucose, un hexose (6C) et aldose Figure 5.3

Synthèse et hydrolyse des polymères Synthèse = fabrication (élongation) du polymère par ajout de monomères Réaction de déshydration (perte d’une molécule d’eau) Fig 5.2 Dégradation (coupure ou rac-courcissement) du polymère par hydrolyse (ajout d’une molécule d’eau)

Synthèse des polymères Réaction nécessitant de l’énergie de cellule Réaction nécessitant des enzymes spécialisées Hydrolyse des polymères : Réaction produisant de l’énergie Réaction nécessitant des enzymes spécialisées Exemple: très peu d’organismes ont les enzymes nécessaires à la digestion de la cellulose Pourtant, ce n’est qu’un polymère de glucose !

Polymères de Glucides: disaccharides Formation d’une liaison glycosidique entre 2 monosaccharides Cycle à 5 atomes de C= pyranose 1 4 1 2 Cycle à 4 atomes de C= furanose

Polymères de Glucides: Polysaccharides Composés de 3 à plusieurs milliers d’unités. Fonctions variées: Polysaccharides de réserve : Source d’énergie Glycogène Amidon Polysaccharides structuraux : Cellulose Chitine Rôle dans la reconnaissance et la communication cellulaire

Polysaccharides: Le glycogène Réserve glucidique Chez les animaux Formé à 100% de glucose Molécule ramifiée: Longues chaines de glucose α 1-4 liaisons glycosidiques 1-6 ponctuelles Stocké dans le cytoplasme des cellules hépatiques et musculaire Synthèse de glycogène sous le contrôle de l’insuline Hydrolyse du glycogène sous le contrôle du glucagon

Polysaccharides: L’amidon Reserve énergétique Chez les végétaux Stocké dans les plastes 100% formé de glucose Liaison glycosidique α 1-4 donne une molécule linéaire en hélice (amylose, majoritaire) Liaison glycosidique 1-6 ponctuelle donne une molécule ramifiée (amylopectine, minoritaire) Animaux ont des enzymes permettant de dégrader l’amidon. Amylose Fig 5.6

Polysaccharides: La cellulose Constituant structurel important de la paroi des cellules végétales Polymère formé à 100% de glucose Type de chaîne: droite (jamais ramifiée) : liaison glycosidique 1- 4 de type β Les molécules de cellulose peuvent interagir entre elles par des liaisons hydrogènes Les humains ne peuvent digérer la cellulose (ni les vaches) Molécules de cellulose (80) Associées en fibrille Paroi cellulaire Liaisons H

Les Polysaccharides: comparaison Amidon-Cellulose Différentes conformations du glucose cyclique => différentes conformations des monomères les uns par rapport aux autres

Les polysaccharides: la chitine Acétyl-glucosamine Liaisons b 1-4 comme pour la cellulose Interactions entre polymères qui renforce la structure Insectes, crustacés, mollusques, champignons