COURS de Biologie Fondamentale IFSI 2009-2010 19 heures Stéphanie LUCAS stephanie.lucas@univ-littoral.fr

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1- Des molécules aux organismes vivants Stéphanie LUCAS 2- Structures cellulaires 3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires 4- Communications intercellulaires 5- Cellules musculaires et nerveuses Damien LETERME

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 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

LES DIFFERENTS NIVEAUX DE STRUCTURE DU CORPS

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

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

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

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%

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 Ex: calcium Ca2+, 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.

Atomes, ions, molécules Les atomes peuvent partager des e- : ils s’associent alors en molécules

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)

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

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

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 anions (négatifs) tels que : le chlorure Cl- les bicarbonates HCO3- les phosphates HPO42 - les sulfates SO42- les cations (positifs) tels que : le sodium Na+ le potassium K+ le calcium Ca2+ le magnésium Mg2+

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

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

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

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.

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+]

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

Limites de pH sanguin physiologiques: 7,35 à 7,45 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 ACIDE CARBONIQUE DIOXYDE DE CARBONE EAU ION OXONIUM 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: l’urine) 2) des systèmes tampons efficaces : Ex: le système acide carbonique-bicarbonate Si alcalose: H2CO3 H+ + HCO3- Si acidose: H+ + HCO3- H2CO3 H2O + CO2 3) La respiration : élément important du contrôle de l'équilibre acide/base du sang

les acidoses et alcaloses métaboliques. 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-])

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-

L’eau et le pH des solutions aqueuses  Lien avec la clinique

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

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

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

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.

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 Rôle dans le fonctionnement cérébral et visuel; synthèse de précurseurs anti-inflammatoires AGPI omega-3 (w3) Acide a-linolénique

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.

Les composés organiques – Les lipides L’assemblage des membranes cellulaires se fait de façon autonome. Lipides Lipides + phospholipides Phospholipides

sert à la synthèse des hormones stéroïdiennes, 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.

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…

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

Les composés organiques – Les glucides Polysaccharides : sucres complexes 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)

Les composés organiques – Les nucléotides Phosphate sucre Base azotée ATP adénosine triphosphate ribose adénine phosphate Fournit aux cellules l’énergie nécessaire aux réactions chimiques. ADN acide désoxyribonucléique ARN acide ribonucléique Les acides nucléiques 2 chaînes de nucléotides contient l’information génétique 1 chaîne nucléotides synthèse des protéines

Les composés organiques – Les acides nucléiques Des chaînes de désoxyribose s’associent avec 4 bases pour former l’ADN Adénine Thymine Guanine Cytosine Acide DésoxyriboNucléique (ADN) : support de l’information génétique Phosphate désoxyribose Base azotée désoxyribose

Les acides nucléiques: l’ADN Les composés organiques – Les acides nucléiques Les acides nucléiques: l’ADN Les désoxyriboses se lient via des groupes phosphates (PO4).

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

Les acides nucléiques: l’ADN Les composés organiques – Les acides nucléiques Les acides nucléiques: l’ADN L’ADN est composée d’une double hélice.

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

Les acides nucléiques: l’ARN 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.

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 Transcription Gène 1 Gène 2 Gène 3 ARN 1 ARN 2 ARN 3

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 Servent de messager entre le noyau où est l’ADN jusqu’au cytoplasme où synthèse des protéines. Les ARN formés vont guider la synthèse de protéines : ARN messagers (ARNm)

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

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). Groupement acide Groupement amine acide aminé Chaîne latérale

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.

+ 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

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

Les composés organiques – Les protéines Les enzymes catalysent les réactions chimiques Exemple : saccharose  glucose + fructose 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 substances qui permettent d’apporter de l’énergie = CATABOLISME -des réactions de synthèse de nouvelles substances qui consomment de l’énergie = ANABOLISME

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

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 ADN A C G T ARN A C G U Code génétique 1 codon = 1AA protéines Thréonine

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

Les composés organiques – 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.

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

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 Archéobactéries Eucaryotes plantes champignons animaux

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. - à ARN (VIH, rotavirus, hépatite A, H1N1…) - à ADN (Herpès, Varicelle,…) Il existe des virus :

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