LA MATIERE ET LA VIE

1 - La matière et ses niveaux d’organisation

Structure de la matière : ATOMES et MOLECULES

Atome : 1 noyau (protons et neutrons) un nuage d’électrons

Plusieurs atomes s’accrochent et forment une MOLECULE

La molécule la plus complexe : L’ ADN

Les molécules complexes peuvent transmettre de l’information

ligand Zone réceptrice Membrane cellulaire

2 - La matière vivante

Est vivante une structure qui : 2) est capable de se reproduire est capable d’organiser la matière

3 – les niveaux d’organisation

Les molécules se groupent et forment des CELLULES Les cellules remplissent des fonctions

à fonctions complémentaires se groupent et forment des ORGANES Les cellules à fonctions complémentaires se groupent et forment des ORGANES Les organes remplissent des fonctions

Exemple de l’estomac Cellules musculaires Cellules nerveuses Cellules sécrétrices d’acide Cellules à mucus Artères et veines

coeur

à fonctions complémentaires se groupent et forment Les organes à fonctions complémentaires se groupent et forment des systèmes (= appareils) Les systèmes remplissent des fonctions

Dissection de souris

Un grand nombre de systèmes à fonctions complémentaires forment un organisme

Thorax humain

D’autres niveaux existent Populations Écosystème local (ex : mare) Écosystème général

4 - Les 7 caractéristiques de la VIE

4.1 – ORGANISATION COMPLEXE

Squelette de la main

4.2 – REPRODUCTION

Bactéries en cours de mitose

femelle chimpanzé et son jeune Chatte et chaton femelle chimpanzé et son jeune

4.3 – CROISSANCE ET DEVELOPPEMENT

Poissons adulte et jeune

Embryons de poisson batracien reptile oiseau mammifère

4.4 – ADAPTATION à L’ENVIRONNEMENT

Ficus temple Angkor-vat

HOMEOSTASIE = stabilité

4.5 – REACTIONS A L’ENVIRONNEMENT

Chauve-souris

Antennes papillon de nuit

4.6 – EVOLUTION

DARWIN : 1809 – 1882 Dates importantes : 1831 – 1836 : voyage du Beagle 1859 : « Sur l’origine des espèces par le mécanisme de la sélection naturelle » 1871 : « la lignée humaine » Photo Darwin

Le « beagle » en mer

Voyage de Darwin

Pinsons de Darwin

1) à tout moment il existe, entre les individus d’une même espèce, des variations morphologiques, physiologiques et comportementales.   2) certaines de ces variations ont, au moins partiellement, une base héréditaire 

- 3) les êtres vivants ont une énorme capacité de reproduction ; or, dans les conditions normales, leur nombre tend à rester globalement constant de génération en génération  ceci résulte de la compétition qui s’instaure entre les individus en vue de l’acquisition des ressources disponibles dans le milieu, qui sont limitées.

4) le résultat de cette compétition est que certains individus, mieux armés dans la lutte pour l’acquisition des ressources, auront plus de descendants que les autres ; ils transmettront à ces descendants leurs capacités, et ainsi l’espèce s’adaptera de mieux en mieux, de génération en génération, par ce phénomène de sélection naturelle.

Lignée humaine

4.7 – TOUTES CES PROPRIETES SONT POSSIBLES GRACE A LA CIRCULATION DE L’ENERGIE

4.7 – a) Homéostasie, croissance et réactions à l’environnement nécessitent de la matière et de l’énergie

Thermographie thorax humain

Thermographie chien

Lion et lionceau

Rapace Et lapin

4.7 – b) matière et énergie circulent le long des chaînes trophiques

Le premier niveau est constitué par les plantes chlorophylliennes qui utilisent l’énergie de la lumière solaire

Les plantes chlorophylliennes sont des êtres vivants AUTOTROPHES

Puis matière et énergie circulent de niveau en niveau

Exemple d’êtres vivants HETEROTROPHES (vaches)

steack

Ventre plat

piéride

merle

chat

Les saprophytes utilisent la matière organique en décomposition champignons

On récupère de l’énergie en brisant les liaisons entre les atomes des molécules

XVIIème Robert Hook LA CELLULE : unité fondamentale de la vie 1er microscope (X30) XVIIème : Antoon Leewenhoek : microscope (X300) XXème : microscope électronique (X 30 000)

LA CELLULE : Une membrane Un cytoplasme Un noyau

sépare le cytoplasme du milieu extérieur LA CELLULE : Une membrane sépare le cytoplasme du milieu extérieur porte des récepteurs sensibles à certains ligands Un cytoplasme Un noyau

sépare le cytoplasme du milieu extérieur LA CELLULE : Une membrane sépare le cytoplasme du milieu extérieur porte des récepteurs sensibles à certains ligands Un cytoplasme gel contenant en suspension des organites Un noyau

sépare le cytoplasme du milieu extérieur LA CELLULE : Une membrane sépare le cytoplasme du milieu extérieur porte des récepteurs sensibles à certains ligands Un cytoplasme gel contenant en suspension des organites Un noyau contient le matériel génétique

Schéma cellule

cytosquelette

Épiderme oignon

Caryotype humain

5 Les molécules de la vie

Glucides Lipides Protéines Acides nucléiques

5 - 1 Les glucides

ribose

glucose

Glucides : Énergie rapide Génétique (ADN = acide désoxyribonucléique) Synthèse des protéines (ARN = acide ribonucléique)

Formes de stockage : Amidon (plantes) Glycogène (animaux)

La glycémie est la concentration en glucose du sang (valeur normale à jeun : 1g/litre Mesure de la glycémie

Bouteille coca

Bouteille coca et sucres

Yaourts aux fruits

5 - 2 Les lipides

Lipides : Réserve d’énergie Membrane cellulaire Stéroïdes sexuels

Lipides 1 – réserve d’énergie

Lipides : - 1 - Réserve d’énergie Les lipides en excès sont stockés dans les lipocytes

- 2 - Les phospholipides :

Les phospholipides sont un constituant essentiel de la membrane cellulaire

Les hormones sexuelles H3C testostérone oestradiol

Les hormones sexuelles testostérone oestradiol

5 - 3 Les protéines

Protéines : Rôles très nombreux Constitutifs de l’organisme Transport de substances Enzymes (métabolisme) Hormones Mouvement immunité

Les protéines Éléments de base : Les acides aminés

Il existe 20 acides aminés - 5.3.1 - Il existe 20 acides aminés Ex : glycine, sérine, tryptophane, …

Acide aminé : élément de base des protéines

Carbone central

Atome d’hydrogène Carbone central

Atome d’hydrogène Carbone central NH2 : radical AMINE

Atome d’hydrogène CO OH : radical HYDROXYLE Carbone central NH2 : radical AMINE

Atome d’hydrogène CO OH : radical HYDROXYLE Carbone central NH2 : radical AMINE Chaîne latérale

H N O OH C GLYCINE TRYPTOPHANE

- 5.3.2 - Des acides aminés aux protéines : La liaison peptidique

legos

Liaison peptidique -1- 1 acide aminé 1 acide aminé Des acides aminés à la protéine : Liaison peptidique -1-

Liaison peptidique -1- 1 acide aminé 1 acide aminé Des acides aminés à la protéine : Liaison peptidique -1-

Des acides aminés à la protéine : Liaison peptidique -2-

Des acides aminés à la protéine : Liaison peptidique -3-

Des acides aminés à la protéine : Liaison peptidique -4-

Des acides aminés à la protéine : Liaison peptidique -5-

Des acides aminés à la protéine : Liaison peptidique -6- protéine eau

+ Acide aminé 1 Acide aminé 2 O H H C C N OH R H O H H C C N OH R H +

+ Acide aminé 1 Acide aminé 2 O H H C C N OH R H O H H C C N OH R H +

+ O H H C C N OH R H H2O O H H OH R O H H R H Acide aminé 1 eau protéine

Les différents niveaux - 5.3.3 - Les différents niveaux d'organisation d'une protéine 4 niveaux de complexité croissante

= ordre d’enchaînement 1er niveau : La SEQUENCE = ordre d’enchaînement des acides aminé

alanine proline tyrosine alanine leucine leucine glycine lysine ALA – PRO – TYR – ALA –LEU – LEU – LYS – HIS … leucine tryptophane glycine lysine alanine histidine glycine tyrosine tryptophane

2ème niveau : STRUCTURE SECONDAIRE = hélice et feuillet

Hélice et feuillet

Exemple d’hélice

3ème niveau : STRUCTURE TERTIAIRE les cystéines forment des ponts disulfures

cystéine cystéine cystéine cystéine

Les ponts disulfures obligent la protéine à se replier sur elle-même et à prendre une structure complexe

plusieurs sous-unités 4ème niveau : STRUCTURE QUATERNAIRE plusieurs sous-unités s’assemblent

Structure quaternaire ex : hémoglobine

Exemple de structure quaternaire

La complexité de structure des protéines en fait des molécules - 5.3.4 - La complexité de structure des protéines en fait des molécules porteuses d’information

2 exemples importants : La neuro-transmission (les récepteurs sont des protéines) Le fonctionnement hormonal (cas des hormones protéiques)

Membrane du neurone pré-synaptique du neurone post- synaptique récepteur Molécules de neuro-transmetteur

synapse

sang Molécules d’hormone Membrane cellulaire cellule récepteur Molécules d’hormone sang cellule Modifications du fonctionnement de la cellule

Rôle des protéines dans la synthèse de nouvelles molécules : - 5.3.5 - Rôle des protéines dans la synthèse de nouvelles molécules : Les enzymes

une nouvelle molécule  Problème : on veut fabriquer une nouvelle molécule  à partir de constituants séparés dans la cellule

Une ENZYME est une PROTEINE qui possède 2 SITES particuliers

Les 2 constituants se fixent sur l’enzyme

Une liaison chimique se forme

La nouvelle molécule se détache L’enzyme est prête pour une nouvelle synthèse

En contrôlant le nombre de molécules d’enzyme, la cellule contrôle l’intensité de la synthèse La fabrication des enzymes dépend du code génétique

- 5.4 - LES ACIDES NUCLEIQUES ADN et ARN

Les constituants de base - 5.4.1 – Les constituants de base DES ACIDES NUCLEIQUES

sucre bases phosphore adénine thymine cytosine guanine uracile T A Ribose (ARN) ou Désoxyribose (ADN) adénine thymine G C cytosine guanine phosphore U uracile

ADN ARN Les nucléotides D D P P D D P P R R P P R R P P T A C G A U G

L’ ADN

ADN A D G C P P P P

ADN A D G C T D C G P P P P P

ADN A T D D (bicaténaire) P P G D C D P P G C D D P P T A D D P P

Structure de l’ADN : La double hélice

L’ ARN

sucre bases phosphore adénine thymine cytosine guanine uracile A T Ribose (ARN) ou Désoxyribose (ADN) adénine thymine G C cytosine guanine phosphore U uracile

ADN A D G C P P P T D P

ADN A T D D P P G D C D P P G C D D P P T A D D P P

ARN n R Par rapport à l’ADN : Le désoxyribose est remplacé par P G C Par rapport à l’ADN : Le désoxyribose est remplacé par du ribose 2) La thymine est Remplacée par de l’URACILE 3) l’ARN est souvent monocaténaire P P P n R P

- 5.4.2 – La réplication de l’ADN

de l’ADN réplication D D P P D P D P D P P D P D P T A G C G C D A T 1 - Ouverture de la chaîne

de l’ADN réplication D P D P D P D P D P P D P D P D P 2 - assemblage

A T T A G C C G A T CG CG TA TA GC GC GC GC GC GC TA TA AT AT AT AT TA TA GC GC CG CG A T T A G C C G A T T A G C C G G C G C GC GC TA TA AT AT 2 molécules d’ADN identiques 1 molécule1 d’ADN

La réplication de l’ADN permet la reproduction cellulaire : 1 cellule-mère donne 2 cellules-filles qui ont des patrimoines génétiques identiques

- 5.4.3 - Les gènes

Un gène est un fragment d’ADN, donc un enchaînement de nucléotides. Définition : Un gène est un fragment d’ADN, donc un enchaînement de nucléotides. Il contient l’information nécessaire à la fabrication d’une protéine (cette protéine pouvant être une protéine structurale, une enzyme …)

Séquençage du génome = Établir la liste des gènes d’un organisme + Établir le liste ordonnée des bases qui constituent chaque gène Espèce humaine = environ 30 000 gènes

premier exercice de génétique Phénotype « yeux bleus »

PIGMENT BLEU

Synthèse de PIGMENT BLEU divers constituants +

divers constituants Synthèse de PIGMENT BLEU + ENZYME (protéine)

GENE divers constituants Synthèse de PIGMENT BLEU + ENZYME (protéine)

2 gènes identiques : sujet HOMOZYGOTE PATERNEL MATERNEL + PIGMENT BLEU CHROMOSOMES 2 gènes identiques : sujet HOMOZYGOTE

2 gènes différents : sujet HETEROZYGOTE PATERNEL MATERNEL + PIGMENT BLEU PIGMENT NOIR CHROMOSOMES 2 gènes différents : sujet HETEROZYGOTE

Un point de vocabulaire : Gène DOMINANT Gène RECESSIF Génotype  phénotype

2 gènes différents : sujet PIGMENT BLEU + YEUX NOIRS PIGMENT NOIR 2 gènes différents : sujet HETEROZYGOTE PATERNEL MATERNEL Le caractère NOIR l’emporte sur le bleu : il est dit « DOMINANT » Le caractère bleu est dit « RECESSIF »

+ + + 2 caractères BLEUS : sujet HOMOZYGOTE RECESSIF PIGMENT BLEU + 2 caractères BLEUS : sujet HOMOZYGOTE RECESSIF PIGMENT BLEU PATERNEL MATERNEL PIGMENT NOIR + 2 caractères NOIRS : sujet HOMOZYGOTE DOMINANT PIGMENT NOIR PATERNEL MATERNEL PIGMENT BLEU + 2 gènes différents : sujet HETEROZYGOTE PIGMENT NOIR PATERNEL MATERNEL

LA TRANSMISSION DES CARACTERES

Spermatozoïdes 23 chr. Ovules 23 chr RAPPEL : LES GAMETES (ovules et spermatozoïdes) NE CONTIENNENT QUE LA MOITIE DES CHROMOSOMES Ovules 23 chr Homme adulte 46 chr. femme adulte FECONDATION  46 chr.

Yeux bleus spermatozoïdes

Yeux bleus spermatozoïdes Yeux bleus ovules

spermatozoïdes ovules Yeux bleus

spermatozoïdes ovules Yeux bleus Yeux bleus

Yeux noirs spermatozoïdes

Yeux bleus spermatozoïdes Yeux bleus ovules

spermatozoïdes Yeux bleus ovules

spermatozoïdes Yeux bleus ovules

Yeux noirs spermatozoïdes Yeux noirs ovules

Yeux noirs spermatozoïdes Yeux noirs ovules

Yeux noirs spermatozoïdes Yeux noirs ovules

LES GROUPES SANGUINS

ANTIGENE A A A A A A A A A A A A A AGGLUTININE ANTI-B ANTIGENE A Anti-B Anti-B Anti-B A A A Anti-B A Anti-B Anti-B A Anti-B Anti-B A A A Anti-B Anti-B A Anti-B A Anti-B A A Anti-B Anti-B Anti-B

Il existe 2 sortes d’antigènes sur les hématies : A et B Il existe 2 sortes d’agglutinines dans le plasma : anti-A et anti-B Anti-A Anti-A Anti-B Anti-B Anti-B Anti-A Anti-B Anti-A Anti-A Anti-B

Groupe A Groupe O Groupe AB Groupe B

Groupe A Groupe O Groupe AB Groupe B Anti-A Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-A Anti-B Anti-B Anti-B Groupe A Anti-A Groupe O « donneur universel » Anti-B B A B Anti-A Anti-A Anti-A Anti-A Anti-A Anti-A Groupe AB « receveur universel » Groupe B

TRANSFUSION DE SANG « B » DESTRUCTION DES HEMATIES DU SANG TRANSFUSE CHEZ UN RECEVEUR A B B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B Anti-B DESTRUCTION DES HEMATIES DU SANG TRANSFUSE CHOC TRANSFUSIONNEL

A B AB O oui D O N N E U R non A AB B O R E C V U

L’HEREDITE DES GROUPES SANGUINS AA AO OO A et B dominent O AA et AO  groupe A BB et BO  groupe B AA et BB  groupe AB OO  O A O B AB BO AO OO O OO

La synthèse des protéines

ADN ARNm PROTEINE transcription traduction noyau cytoplasme

la transcription ADN  ARNm (gène)

brin codant brin matrice AAATTGCTAGCTATGCTGCTACGTTACCGGTAGCTTAAG TTTAACGATCGATACGACGATGCAATGGCCATCGAATTC gène brin matrice

gène EXON 1 INTRON EXON 2 INTRON EXON 3 INTRON EXON 4 site promoteur séquence transcrite Site de terminaison Séquence -35 : T T G A C A Séquence -10 : T A T A T T Détermine le brin codant Détermine le point de début de transcription

CTATGCTGCTACGTTAC GATACGACGATGCAATG

CTATGCTGCTACGTTAC G ACGATGCAATG G C A T 1 – ouverture de l’ADN

CTATGCTGCTACGTTAC G ACGATGCAATG C G G C U A A T ARN prémessager 2 - début de la Synthèse de l’ARN prémessager ARN prémessager

CTATGGTGCTACGTTAC GATACCA ATG UGCUAC A G CGATGC G U A 3 – progression de la synthèse de l’ARN prémessager

4 – fin de la synthèse de l’ARN prémessager CTATGGTGCTACGTTAC GATACCACGATGCAATG UAUGGUGCUACGUUA 4 – fin de la synthèse de l’ARN prémessager

gène EXON 1 INTRON EXON 2 INTRON EXON 3 INTRON EXON 4 ARN prémessager

gène ARN prémessager excision EXON 1 INTRON EXON 2 INTRON EXON 3 INTRON EXON 4 ARN prémessager excision

gène ARN prémessager excision épissage ARN messager EXON 1 INTRON EXON 2 INTRON EXON 3 INTRON EXON 4 ARN prémessager excision épissage ARN messager

ADN ARNm noyau transcription ARNm cytoplasme

ADN ARNm PROTEINE transcription traduction noyau cytoplasme

la traduction ARNm  PROTEINE

Lieu de la synthèse : les RIBOSOMES

Grosse sous-unité petite sous-unité RIBOSOME

Comment établir la correspondance ? 4 bases : A U G C 20 acides aminés Comment établir la correspondance ?

Comment établir la correspondance ? 1 bases : 4 possibilités A U G C 4 bases : A U G C 20 acides aminés Comment établir la correspondance ? 1 bases : 4 possibilités A U G C

1 bases : 4 possibilités A U G C 4 bases : A U G C 20 acides aminés Comment établir la correspondance ? 1 bases : 4 possibilités A U G C 2 bases : 16 possibilités AA AU AG AC UA UU UG UC . . .

1 bases : 4 possibilités A U G C 4 bases : A U G C 20 acides aminés Comment établir la correspondance ? 1 bases : 4 possibilités A U G C 2 bases : 16 possibilités AA AU AG AC UA UU UG UC . . . 3 bases : 64 possibilités AAA AAU AAG AAC AUA AUU AUG AUC AGA AGU AGG AGC ACA ACU ACG ACC . . .

CE CODE EST UNIVERSEL LA LISTE DES CODONS ET DE LEURS CORRESPONDANCES Sur l’ARN messager, chaque Acide Aminé est représenté par un TRIPLET de bases = un CODON LA LISTE DES CODONS ET DE LEURS CORRESPONDANCES EN ACIDES AMINES CONSTITUE LE CODE GENETIQUE CE CODE EST UNIVERSEL

2 REDONDANCE 1 3

U A C ARN de transfert Anti-codon Acide aminé Site d’accrochage de l’acide aminé U A C Anti-codon

A U G C U U C G U G U U Met Leu Arg Val

U A C MET A U G C U U C G U G U U Met Leu Arg Val

U A C MET A U G C U U C G U G U U Met Leu Arg Val

G A A LEU U A C MET A U G C U U C G U G U U Met Leu Arg Val

G C A ARG U A C MET G A A LEU A U G C U U C G U G U U Met Leu Arg Val

U A C G A A G C A A U G C U U C G U G U U Met Leu Arg Val C A A VAL

U A C G A A G C A C A A A U G C U U C G U G U U Met Leu Arg Val MET

U A C G A A G C A C A A A U G C U U C G U G U U Met Leu Arg Val MET

ribosome

1er facteur d’amplification : fabriquer de nombreux ARNm lors d’une seule ouverture de l’ADN CTATGGTGCTACGTTAC GATACCACGATGCAATG UAUGGUGCUACGUUA UAUGGUGCUACGUUA UAUGGUGCUACGUUA UAUGGUGCUACGUUA UAUGGUGCUACGUUA

ARNm ribosomes protéine 2ème facteur d’amplification : lecture par un grand nombre de ribosomes ribosomes protéine ARNm

Protéine brute  protéine fonctionnelle : LA MATURATION DES PROTEINES

Schéma cellule

RETICULUM : Maturation de la protéine

PROTEINE : de STRUCTURE exportée FONCTIONNELLE enzyme transport

exportée PROTEINE : de STRUCTURE FONCTIONNELLE enzyme transport hormone … FONCTIONNELLE enzyme transport Contrôle d’une réaction chimique