PREFACE Le but de cette premire partie du cours de biologie gnrale est de donner aux tudiants de premire anne de baccalaurat les bases ncessaires la comprhension de cours plus spcialiss communs tous les programmes de la facult de mdecine (histologie, biochimie, biologie cellulaire et molculaire, physiologie, gntique ). Lobjectif de tout enseignement universitaire nest pas limit la transmission d'un savoir, mais vise aussi pousser les tudiants dvelopper une mthode qui leur permette d "apprendre apprendre" par eux-mmes. Cette mthode comporte de multiples tapes : recherche de sources de documentation fiables, comprhension, lecture critique, synthse et, finalement mise en application du savoir acquis. La matire qui doit tre matrise par ltudiant est dfinie lors du cours en auditoire et nous encourageons donc vivement les tudiants prendre des notes. La prise de notes exactes et compltes tant un exercice difficile, l'tudiant peut les complter l'aide des lments suivants: - ce syllabus reprend la majorit des explications donnes au cours. Il n'est pas complet mais constitue une bonne base de notes de cours. Il contient aussi certaines explications supplmentaires donnes titre indicatif. - les schmas dessins au tableau doivent tre recopis le plus fidlement possible. - les schmas qui sont projets font galement partie du cours. L'tudiant doit donc s'exercer les reproduire. Ils sont disponibles sur le site internet du cours. - louvrage de rfrence recommand pour ce cours est Biologie de Campbell et Reece (disponible la bibliothque et dans nimporte quelle librairie). L'ouvrage "Biologie" de Raven peut galement tre consult. - un forum de discussion est galement la disposition des tudiants sur le site iCampus pour rpondre aux questions qui subsisteraient. Ce cours ncessite plusieurs niveaux dapprentissage. Tout dabord, une srie de notions doivent tre tudies par cur : noms des composs, des structures cellulaires, des processus, tapes de ces processus, etc. Nhsitez pas utiliser des trucs mnmotechniques pour vous faciliter la tche ! Ensuite, il est indispensable de chercher comprendre la logique qui sous-tend les processus biologiques. Cette tape de comprhension va grandement faciliter la mmorisation du cours, et surtout, permettra ltudiant dutiliser ce quil a appris pour aborder des matires nouvelles. Pour chaque aspect de la vie cellulaire, les questions suivantes doivent tre poses : Comment a marche ? , Pourquoi ? , Quels sont les avantages dun mcanisme plutt que dun autre ? . Enfin, la mise en application des concepts thoriques permet de rsoudre les quelques exercices proposs dans ce cours.

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Des questions de rflexion sont proposes aux tudiants la fin de chaque partie, de faon ce quils puissent tester leur niveau de comprhension. Ces questions sont similaires celles qui seront poses lors de lexamen crit (mais pas identiques - tudier par cur les rponses na aucun intrt !). Il est indispensable que ltudiant rflchisse lui-mme aux rponses apporter ces problmes, puis qu'il en discute avec dautres. Ltude "transversale" est trs importante dans ce cours. Les structures cellulaires doivent tre associes aux composs chimiques quelles contiennent, et aux fonctions physiologiques quelles remplissent. La comprhension des mcanismes gntiques passe par une bonne matrise de la physiologie cellulaire (synthse des protines) et de la division cellulaire (mitose, rplication de lADN, chromosomes). Les questions dexamen comporteront souvent plusieurs lments de rponse situs dans des chapitres diffrents. Pour prparer ltudiant ce type de questions, il est vivement recommand dtudier de manire transversale : aprs avoir vu le cours de manire linaire (chapitre par chapitre, dans lordre propos dans ce syllabus), il est utile de le revoir thme par thme : les membranes (composants, structure, permabilit, nutrition, mtabolisme des lipides) ; lADN (structure, noyau, rplication, chromosomes, gnes, polymorphisme) ; la mitochondrie (structure, mtabolisme, origine) ; etc. Il est probablement utile de construire un petit rsum pour chaque thme transversal. Lorsque la matire du cours est acquise, il est essentiel dtre capable de la restituer de manire adquate. Quelques conseils pour lexamen : les schmas qui sont reproduits doivent tre clairs, comprhensibles et lgends. Quelques phrases sont en gnral ncessaires pour expliquer un dessin. Il est tout aussi important de rpondre prcisment une question : ne pas systmatiquement retranscrire tout le chapitre correspondant, ce qui diminue automatiquement la valeur de la rponse donne. Les interrogations et les rapports de travaux pratiques constitueront un bon entranement. Bon travail ! Jean-Baptiste Demoulin Charg de cours Le 5 juillet 2007.

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INTRODUCTION

La Biologie est l'tude scientifique des organismes vivants.

Qu'est-ce que l'tude scientifique? Que sont les tres vivants? Objectifs atteindre par ltudiant : Etre capable de dfinir et classifier les tres vivants 1. LA MTHODE SCIENTIFIQUE L'tude scientifique se distingue d'autres formes de penses par sa mthode: la religion est issue de la rvlation, la philosophie de la rflexion. La science se caractrise par la mthode exprimentale. Cette mthode prsente plusieurs phases: La premire est l'observation: on accumule une srie de donnes sur le problme d'intrt, en utilisant le plus souvent des appareillages parfois trs complexes. Un chercheur doit tre la fois curieux et prcis dans ses observations. Une dcouverte majeure dcoule souvent de l'observation sous un angle nouveau d'un problme ancien. Les travaux pratiques constituent une bonne introduction l'observation scientifique. A partir de ces observations dcrites, classes, structures, naissent des questions: quelle est l'origine, la cause de ce que j'observe? quelle relation unit la cause suppose et l'effet observ? Ces questions entranent par induction, des hypothses explicatives: causes, relations de cause effetUn chercheur doit tre imaginatif. Ces hypothses sont alors testes exprimentalement pour en vrifier le bien-fond ou les limites. Si de nombreuses expriences confirment l'hypothse et quand la communaut scientifique l'admet, l'hypothse est alors leve au rang de thorie. Le chercheur doit tre impartial et trs prudent. Cette thorie permet alors de faire avancer d'un pas la comprhension du monde qui nous entoure. De ce fait, la dmarche scientifique n'est pas infaillible, contrairement ce que l'on pense souvent. Elle possde plusieurs points faibles: - des erreurs peuvent se produire dans les observations : mme prolongs par des instruments, nos sens ont des limites et on peut calculer l'erreur due aux limites de prcision des instruments;

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- les hypothses peuvent ne pas tre suffisamment puissantes et n'expliquer d'une partie des observations; - les expriences peuvent tre mal adaptes au but poursuivi, biaises ou insuffisantes en nombre et varit; - la soit disant relation trouve peut n'tre que le fruit malheureux du hasard : n'oublions jamais que la statistique, talon de mesure de la fiabilit des rsultats exprimentaux, ne prouvera jamais que l'hypothse qui sous-tend l'exprience est bonne ou mauvaise, elle ne fera que mesurer les chances que l'on a de se tromper en l'acceptantsi les lois du hasard sont respectes; - la thorie peut surgir trop tt d'une gnralisation abusive ou d'une extrapolation partir d'un nombre trop restreint de donnes, - et il arrive mme que des chercheurs soient malhonntes Aussi le scientifique doit-il rester vigilant et n'admettre les thories que "jusqu' preuve du contraire", surtout dans un domaine aussi complexe et variable que la biologie. Ceci constitue indniablement une des difficults de la biologie: cette incertitude, cette remise en question constante nous fait avancer sur un terrain mouvant, alors que nous imaginons que partout en biologie tout est aussi clair que 2 + 2 = 4. Malgr toutes ses imperfections, la mthode scientifique est l'outil le plus puissant, le plus efficace et le plus sr que l'homme ait invent pour mieux comprendre le monde dans lequel il vit. Les progrs spectaculaires de la mdecine depuis qu'elle applique cette mthode en sont la preuve. 2. LES TRES VIVANTS Curieusement, alors qu'intuitivement on peut aisment distinguer les tres vivants des choses inanimes, il est difficile de dfinir la vie. Commenons par numrer les caractristiques essentielles qui distinguent les tres vivants des tres inanims. 1 Parmi ces proprits, la plus apparente est l'organisation : tous les tres vivants sont organiss, structurs, quel que soit le niveau observ. Ainsi, une plante suprieure, est compose d'organes (tiges, feuilles, racines, fleurs, fruits) et chacun d'eux est structur en tissus remplissant chacun des fonctions bien prcises (assimilation, soutien, protection, etc.). Les tissus eux-mmes sont forms d'un certain nombre d'units fondamentales d'organisation : les cellules. La cellule son tour, possde une tonnante richesse de structures et d'organites. Au-del, et jusqu'au niveau molculaire, la matire vivante demeure tout autant structure. Chaque molcule possde une structure bien prcise qui lui permet d'oprer des fonctions particulires et souvent spcifiques.

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Si certains corps inanims montrent parfois une structure complexe (cristaux, par exemple), celle-ci n'est jamais lie une fonction biologiquement explicable. 2 Les tres vivants sont ordonns au sens thermodynamique du terme, ce qui ne peut se faire qu'au prix d'une grande consommation d'nergie. De ce fait, les tres vivants constituent des systmes thermodynamiques ouverts. Ils ont des relations avec le milieu extrieur dans lequel ils puisent l'nergie (qu'ils transforment et dgradent) et les matriaux ncessaires leur maintien (homostasie) et leur croissance. Il existe entre les tres vivants et le milieu dans lequel ils vivent, un change continuel de substances, li des changes d'nergies. 3) Chaque structure - depuis la molcule jusqu' l'organe le plus complexe - possde une fonction qui lui est propre. Structure et fonction sont deux aspects indissolublement lis. Chez l'tre vivant aucune structure n'a de raison d'tre sans la fonction qui lui est associe et chaque fonction ne peut se raliser normalement qu'au sein d'une structure bien prcise, complte et entire. Cet aspect ne se manifeste pas chez les objets inanims. 4 Les tres vivants se reproduisent; c'est l une quatrime proprit fondamentale. Ils sont capables de gnrer d'autres individus semblables eux-mmes, possdant la mme structure fonctionnelle et la mme autonomie. Les tres vivants sont donc dous d'autosynthse, d'autoreproduction, et la matire vivante ne peut se synthtiser qu' partir d'elle-mme . 5 Enfin, quoique cette cinquime proprit soit moins spectaculaire chez les vgtaux que chez les animaux, tous les tres vivants sont capables de ragir, par des mouvements, certaines excitations extrieures et d'y adapter leur comportement. Ils peuvent en outre s'adapter au milieu dans lequel ils vivent et mme le modifier leur avantage ou voluer pour survivre. La comparaison entre les tres vivants a montr que l'unit fondamentale, minimale de la vie, c'est la cellule. Une cellule possde une limite qui la fois, la spare, l'isole du milieu extrieur et contrle les transferts molculaires. Il s'agit d'une membrane plasmique qui, chez les vgtaux, est protge, renforce du ct extrieur par une paroi cellulaire. Le contenu fondamental de la cellule, le cytoplasme contient les structures et les informations ncessaires toutes les fonctions de l'tre vivant: nutrition, mtabolisme, croissance, reproduction. L'information est stocke sous forme chimique dans l'ADN. Le cytoplasme possde en plus des chanes enzymatiques qui lui permettent de rcuprer de l'nergie puise l'extrieur sous forme chimique (molcules organiques) ou physique (lumire) et de la transformer en ATP. Le cytoplasme possde enfin des systmes enzymatiques ncessaires l'exploitation de son information en la traduisant sous forme de protines, outils de son mtabolisme et de son autoduplication. Ces fonctions sont spares dans des territoires cellulaires diffrents chez les cellules volues.

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Aux niveaux infrieurs, les organites intracellulaires, les virus et les molcules biologiques montrent encore des structures, fonctions, informations typiques de la vie mais ne les possdent plus toutes. Les virus ne sont donc pas des tres vivants part entire. Aux niveaux suprieurs, les tissus, organes, individus et colonies sont composs de cellules dveloppant entre-elles des collaborations. La cellule occupera donc une place centrale dans ce cours de biologie, car c'est ce niveau que se concrtise le plus l'unicit du monde vivant. En conclusion, on peut dfinir un tre vivant comme un organisme capable de crotre et de se reproduire en se maintenant dans un tat loign de lquilibre, grce un flux continu dnergie et de matire fourni par lenvironnement, et constitu dune ou plusieurs cellules. 3 . LA DIVERSIT DU MONDE VIVANT: CLASSIFICATION Le monde vivant tait classiquement divis en deux rgnes : animal et vgtal, tudis par la zoologie et la botanique. Les animaux sont caractriss par une tendance volutive slectionnant des individus avides de relation active et perfectionne (dveloppement des systmes sensoriel, nerveux et locomoteur), au dtriment de l'autonomie nutritive (htrotrophes). Les vgtaux, au contraire privilgient l'autonomie alimentaire par utilisation de l'nergie lumineuse et du gaz carbonique (autotrophes), ce qui entrane une stratgie d'occupation de l'espace, dont les corollaires sont l'ancrage au sol et l'immobilit. Les champignons, htrotrophes mais utilisant la mme stratgie d'occupation taient considrs comme des vgtaux infrieurs. Les tres vivants microscopiques taient classs dans l'un ou l'autre rgne sur base de leur capacit de photosynthse ou de mobilit. Il apparut cependant rapidement que beaucoup d'entre eux ne ressemblaient ni aux uns ni aux autres et qu'il fallait les classer part. De plus, une diffrence fondamentale apparut dans ce groupe au niveau de la structure cellulaire et obligea de le scinder en deux. Enfin, une meilleure connaissance des champignons amena les considrer part des vgtaux. Ces considrations ont men une nouvelle classification du monde vivant, celle de R.H. WITTAKER, qui se base sur l'existence de 5 rgnes: Les procaryotes Ce sont des tres vivants unicellulaires, isols ou en colonies, dont la structure cellulaire est extrmement simple. Ils n'ont pas de noyau vrai : l'ADN, de dimension rduite, n'est pas associ des protines, ni entour d'une membrane (procaryon). Les organites

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cellulaires entours d'une membrane sont absents. Ils ne pratiquent pas de vritable reproduction sexue. La nutrition se fait par absorption. La paroi, de structure complexe, est essentiellement constitue de peptidoglycans, associs d'autres molcules variables d'aprs les groupes. On distingue les bactries et les cyanobactries ("algues bleues"). Les bactries ont explor et utilisent toutes les niches cologiques, mais leurs exigences sont souvent trs strictes, limitant leur dveloppement des milieux bien dfinis. La plupart des bactries sont htrotrophes: saprophytes parasites ou symbiotiques. Les cyanobactries sont des organismes photoautotrophes arobies. Elles contiennent de la chlorophylle localise dans des thylakodes qui pourraient provenir d'invaginations de la membrane plasmique. Elles seraient l'origine de l'oxygne atmosphrique. On connat de nombreux cas de symbiose entre algues bleues et divers autres organismes (c'est le cas des lichens, par exemple). De par leur simplicit, les procaryotes (aussi appels monres) sont considrs comme les reprsentants des formes de vie les moins volues, les plus anciennes. Un groupe restreint de bactries prsente des caractristiques gntiques et physiologiques trs particulires qui semblent adaptes aux conditions climatiques de l'poque o la vie apparut sur Terre. Ce sont les archobactries ou arches, dont certains voudraient faire un sixime rgne, voire un domaine, nouveau niveau de classification. Il semble que les eucaryotes soient plus proches des arches que des bactries. Arches et eucaryotes pourraient donc avoir un anctre commun. Les virus, virodes et plasmides ne sont pas considrs comme des tres vivants. Les protistes Les protistes renferment un ensemble htroclite d'tres vivants Eucaryotes (c'est--dire possdant un vrai noyau entour de membranes) et unicellulaires ou coloniaux, trs souvent aquatiques. Ils ont acquis par l'volution, une srie d'organites spcialiss dans diffrentes fonctions. On distingue une dizaine d'embranchements (phylla) ayant volu dans des directions trs diverses quant leur mtabolisme: htrotrophes par absorption ou ingestion ou photoautotrophes et, dans ce cas, photosynthse complte. Souvent mobiles, ils montrent une reproduction sexue typique mais pouvant prendre des formes trs variables. Suivant leur mtabolisme, les protistes taient classiquement rattachs aux plantes (protophytes) ou aux animaux (protozoaires), bien que de nombreux intermdiaires existent. Ils ont volu partir de lignes diffrentes de procaryotes : il n'y a donc pas d'anctre procaryote unique ayant gnr tous les protistes. Pour cette raison, de nombreux scientifiques pensent que le groupe des protistes devrait tre scind en diffrents rgnes. Le rgne des protistes regroupe un certain nombre d'organismes pathognes, comme Plasmodium falciparum (malaria), Giardia lamblia (diarrhes graves), et les trypanosomes (maladie du sommeil et maladie de Chagas).

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Les algues rouges et brunes, autrefois considres comme des plantes primitives, sont actuellement classes parmi les protistes, car elles ne possdent pas de vritables organes diffrencis et ont volu partir de protistes diffrents des autres plantes. Ces algues possdent des pigments photosynthtiques diffrents des algues vertes et des plantes. Ces pigments sont responsables de la coloration particulire de ces algues. Les trois derniers rgnes sont tous constitus d'organismes Eucaryotes pluricellulaires dots de cellules spcialises produites par un processus appel diffrenciation cellulaire. Ils se distinguent essentiellement par leur mode de nutrition. Les myctes ou champignons Ce sont des organismes Eucaryotes, gnralement pluricellulaires, immobiles, htrotrophes se nourrissant uniquement par absorption de matires organiques. L'appareil vgtatif est form d'hyphes, filaments enchevtrs, souvent souterrains, constituant le myclium. Les cellules sont entoures d'une paroi constitue de chitine. La reproduction est vgtative ou sexue agame (pas de diffrence entre les sexes). La dispersion se ralise au moyen de cellules spciales, les spores. Les "vrais" champignons ou Eumyctes sont trs nombreux (quelques centaines de milliers d'espces) et trs varis. Les plus volus produisent des carpophores, (faux tissu d'hyphes entremls) dans lesquels sont produites les spores; c'est ce que nous appelons communment le champignon. On distingue dans ce rgne, l'apparition d'une diffrenciation cellulaire: des groupes de cellules vont acqurir une forme et une fonction particulire pour devenir plus efficace pour l'ensemble. Cette diversification est une acquisition de l'volution. De par leur mode de nutrition, ils vivent soit en association symbiotique ou parasitaire avec d'autres organismes vivants ou dcomposent des organismes morts. On leur doit donc une srie de maladies (mycoses cutanes, aspergilloses systmiques graves), de dgradations (moisissures, mrule), mais aussi les fermentations industrielles (levures permettant la fabrication du pain, de la bire, du vin, et de fromages) et certains mdicaments (pnicilline). Certains sont comestibles alors que la majorit est indigeste sinon toxique (amanites). Les Lichens ne sont pas des champignons proprement parler mais des organismes composites dont le thalle est constitu d'un myclium, le plus souvent d'Ascomycte, entre les hyphes duquel sont abrits soit une cyanobactrie, soit une algue verte, soit encore les deux simultanment. La nature exacte des relations nutritives entre les deux organismes constituant le lichen est variable et souvent encore mal connue. Les animaux Ce sont des organismes pluricellulaires, eucaryotes, gnralement mobiles, htrotrophes se nourrissant par ingestion. Les aliments sont d'abord digrs (dcomposs en

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molcules plus simples) dans des cavits extracellulaires. L'volution a slectionn chez eux une srie de structures, tant infra- que supracellulaires, adaptes des fonctions particulires de plus en plus performantes et prcises. Les animaux se distinguent entre autres par l'apparition d'un systme nerveux leur permettant une perception du monde extrieur et une raction coordonne trs pousse. Leur reproduction est essentiellement sexue.

Les vgtaux Ce sont des organismes pluricellulaires, diffrencis, eucaryotes, immobiles, autotrophes, photosynthtisants, c'est--dire capables de transformer l'nergie lumineuse du soleil en nergie chimique ncessaire leur autosynthse. Les vgtaux sont diviss en quatre grands groupes: les charophytes (algues vertes), les bryophytes (mousses), les ptridophytes (fougres) et les spermatophytes (plantes suprieures).

Les algues vertes, comme les autres algues, sont des organismes aquatiques structure vgtative peu diffrencie, ne comportant ni tige, ni feuille, ni racine. Compares aux autres algues, les algues vertes sont plus proches des plantes suprieures par leur pigments photosynthtiques (chlorophylles), leur mtabolisme et la structure de leur paroi de cellulose. Les autres groupes ont volu partir d'algues vertes ancestrales et regroupent toutes les plantes terrestres qui ont d s'adapter ce milieu anhydre en dveloppant racines, tiges et feuilles. Les cellules sont entoures d'une paroi cellulosique. Les pigments sont essentiellement des chlorophylles a et b, associes des carotnes et de la xanthophylle. La reproduction est principalement sexue (voir chapitre correspondant). On distingue plusieurs types de vgtaux: Les bryophytes possdent un thalle ramifi ou sont des plantes dj plus volues montrant une tige couverte de petites feuilles mais ne possdant pas de racines (mousses). La fonction de nutrition est assure par des cellules longues, spcialises, issues de la tige et que l'on dnomme rhizodes. La reproduction est sexue. L'alternance de phases est parfaite avec prdominance de la phase haplode, le sporophyte vivant en parasite et se rduisant une urne sporangifre produisant les spores qui assurent la dissmination. Les ptridophytes (la fougre par exemple) tablissent le passage vers des vgtaux plus volus (plantes dites "suprieures"). Ce sont des plantes qui comprennent une tige - le plus souvent souterraine (rhizome) - des feuilles et des racines vraies. Elles possdent un systme vasculaire et de soutien. A partir de cet embranchement, c'est la phase diplode qui devient prdominante. La dissmination s'opre encore au moyen de spores. Cependant on voit apparatre aprs la fcondation, pour la premire fois dans l'volution gnrale, un vritable embryon, plante entire en miniature. Mais cet embryon n'est pas encore protg par des tissus spcialiss.

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Les Spermatophytes ou phanrogames reprsentent la majorit de la flore actuelle. Ce sont les plantes et des arbres qui produisent des graines. L'appareil vgtatif est constitu de tiges, feuilles et racines. Le tableau suivant rcapitule quelques diffrences entre les rgnes.

Bactries Protistes Myctes Vgtaux Animaux Noyau - + + + + Paroi + + ou - + + -

Autotrophie + ou - + ou - - + - Nutrition absorption absorption

ingestion absorption absorption

ingestion Mobilit + ou - + ou - - - + Rserves - ? glycogne amidon

lipides glycogne

lipides Chaque rgne est ensuite divis en groupes d'tres vivants appels embranchements. Ceux-ci sont eux-mmes subdiviss en classes, puis en ordres, constitus de familles. chaque famille comprend en gnral plusieurs genres, qui regroupent un certain nombre d'espces, le niveau le plus bas de classification des tres vivants. Le nom scientifique d'un tre vivant reprend toujours son genre et son espce: homo sapiens et homo erectus font donc partie du mme genre homo. Ce systme, fond par Linn la fin du XVIIIe sicle, permet de classer et nommer tous les tres vivants. 4. L'EVOLUTION

Jusqu'au XIXe sicle, les scientifiques taient "fixistes", c'est--dire qu'ils imaginaient que les tre vivants avaient tous t crs dans la forme qu'ils prsentaient actuellement et que les espces taient fixes et immuables. Il fallut attendre la publication du livre de Darwin "De l'origine des espces" en 1859, pour qu'merge la thorie de l'volution. Selon cette thorie, la vie est apparue de faon trs primitive et a volu au cours des res gologiques, slectionnant les individus qui taient les mieux adapts leur environnement. Celui-ci tant variable d'un endroit l'autre et en fonction du temps, il en a rsult une diversit et une complexit grandissantes des tres vivants pour rpondre aux contraintes du milieu et la lutte pour la survie. Fortement combattue ses origines, cette thorie, bien que non reproductible en laboratoire, est actuellement suffisamment taye par les traces de cette volution pour que seuls quelques rvisionnistes la contestent encore actuellement.

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On peut donc esquisser une courte histoire de la vie, avec toutes les incertitudes et les suppositions que cela implique. Les gologues admettent que la Terre s'est forme il y a 4.500 millions d'annes. Les fossiles qui montrent des structures semblables nos procaryotes les plus primitifs datent de 3.500 millions d'annes. On peut donc supposer que les premiers tres vivants sont apparus 200 300 millions d'annes avant. L'origine de la vie reste un mystre. Pour faire une cellule, il faut des molcules organiques. Celles-ci ont pu apparatre naturellement dans les conditions initiales de la Terre, trs diffrentes des conditions actuelles. Ensuite, il a fallu qu'elles s'organisent pour crer : - une membrane qui permet des conditions internes et externes diffrentes, - de quoi stocker et reproduire l'information acquise - des outils chimiques pour fonctionner. Plusieurs hypothses ont t mises quant l'ordre d'apparition de ces trois lments mais aucune n'est actuellement suffisamment taye. Il y a environ 2700 millions d'annes, des bactries trouvent le moyen d'utiliser l'nergie inpuisable du soleil pour fabriquer leur ATP. Le dchet de cette photosynthse est l'oxygne, molcule extrmement dangereuse pour les fragiles molcules de l'poque: beaucoup d'tre vivants moururent probablement de cette "pollution". Il y a 2000 millions d'annes, la concentration en oxygne dpasse le pourcent dans l'atmosphre. Les organismes qui y ont survcu l'utilisent pour oxyder compltement leur nourriture et en rcuprer le maximum d'nergie chimique : c'est le dbut de la respiration. Durant cette priode, les cellules procaryotes voluent par diffrents mcanismes, dont la phagocytose et l'endosymbiose et aboutissent la formation des eucaryotes dont les premiers fossiles sont dats de 1500 millions d'annes. Il faut encore environ 800 millions d'annes pour que l'on retrouve les premires traces d'animaux pluricellulaires (mduses, vers) et 100 millions d'annes supplmentaires pour qu'apparaissent les invertbrs d'une part, les algues d'autre part. Il y a environ 500 millions d'annes se produit un nouveau changement important : la vie qui, jusque l s'tait confine au milieu aquatique, sort de l'eau et les premiers vgtaux terrestres font leur apparition (bryophytes). Leur activit photosynthtique augmente encore la concentration en oxygne (10%) qui, sous forme d'ozone, arrte le bombardement U.V. de la Terre et permet, il y a 400 millions d'annes, la vie animale de sortir son tour de l'eau (premiers insectes) en mme temps que les vgtaux inventent les grandes tailles (premiers Ptridophytes) et leurs corollaires (enracinement, systme conducteur et de soutien). Dans ce nouveau milieu trs prcaire, trs variable, la diversification va s'acclrer faisant apparatre de nouveaux groupes : en -350 (millions d'annes), les forts remplissent la terre tandis qu'apparaissent les reptiles; en -300 les Gymnospermes inventent l'ovule; en -250 les dinosaures et la premire graine; en -200 les mammifres; en -150 les angiospermes avec les premires fleurs ainsi que les oiseaux. Les premiers primates voient le jour il y a un peu

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plus de 50 millions d'annes, les grand singes, 25 millions et l'homme, peine 5 millions tandis que du ct vgtal, les prairies prennent une extension considrable au dtriment des forts. Tous ces chiffres ne sont videmment que des approximations grossires.

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Premire partie:

LA COMPOSITION CHIMIQUE DES ORGANISMES VIVANTS

Objectifs : -Distinguer les diffrents groupes de composs biologiques du point de vue de leur structure

chimique et de leurs proprits physico-chimiques -Comprendre le concept dhydrophobicit -Matriser les bases chimiques du fonctionnement des gnes (structure de lADN, de lARN

et des protines) -Connatre la liste des composs essentiels pour lhomme INTRODUCTION Les tres vivants sont constitus des mmes atomes que les choses inanimes. Ils rpondent de la mme manire aux mmes lois physiques et chimiques. Les mmes causes produisent les mmes effets chez les tres vivants et chez les tres inanims. L'analyse chimique dtermine la nature et les proportions des atomes constitutifs (ou lments). Ces atomes s'assemblent en molcules relativement simples (monomres) qui s'unissent entre elles pour former des macromolcules de plus en plus complexes (polymres). Beaucoup de ces molcules sont identiques ou fort semblables chez tous les tres vivants et constituent les composs principaux: sucres, protines, acides nucliques et lipides. Suite la diversification du monde vivant, sont apparues des biomolcules que l'on ne rencontre que dans certains tres vivants. Ce sont les produits secondaires du mtabolisme. Certaines plantes contiennent par exemple des composs uniques, particulirement intressant en pharmacologie. Certaines de ces molcules sont encore utilises actuellement, ou ont servi de modles pour la synthse des mdicaments modernes. Dans cette partie du cours, nous exposerons l'essentiel des donnes de chimie biologique, indispensables la comprhension des problmes que nous traiterons en cytologie et en physiologie. L'aspect "encyclopdique" de cette premire partie ne doit pas effrayer l'tudiant non familiaris avec la chimie organique. Toutes les notions exposes seront concrtises ultrieurement, et apparatront progressivement plus simples parce que remises dans leur contexte naturel. L'tudiant est de plus invit faire des liens avec ses cours de chimie minrale et organique, qui l'aideront bien comprendre ces notions.

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RAPPEL: LES LIAISONS CHIMIQUES

_____________________________________________ LES LIAISONS FORTES Les atomes tendent raliser autour d'eux la configuration lectronique du gaz rare le plus proche dans le tableau priodique. Pour cela ils changent ou ils mettent en commun certains des lectrons de leur couche priphrique, quand ils sont en contact avec d'autres atomes. Dans la liaison ionique, un atome perd un ou plusieurs lectrons et se charge positivement (cation), l'autre accepte cet (ces) lectron(s) et se charge ngativement (anion). L'attraction entre ces deux charges unit les deux atomes. C'est ce type de liaison qui intervient surtout dans les cristaux. Il y a formation d'un diple lectrique et l'nergie de liaison est de l'ordre de 20 50 kJ. En prsence d'eau, ces liaisons sont fortement affaiblies. Dans la liaison covalente, deux atomes mettent en commun des lectrons qui tournent autour des deux noyaux. Si les deux atomes sont identiques, il n'y a pas de diple. L'nergie de cette liaison, plus stable, est de l'ordre de 200 400 kJ. Entre ces deux extrmes, toutes les variantes sont possibles, dpendant de l'lectrongativit des deux atomes. La grande majorit des liaisons entre atomes des molcules organiques sont du type covalent.

Le carbone peut se lier par 4 liaisons covalentes 4 autres atomes. Ces liaisons sont disposes en ttradre et forment entre elles des angles de 109,5. Il peut aussi former une double liaison donnant une structure plane ou une triple liaison donnant une structure linaire. Les atomes de carbone se lient entre eux pour former le squelette de toutes les molcules organiques. La prsence de doubles liaisons simples ou conjugues, modifie cette structure. Le carbone et l'hydrogne forment ensemble des composs stables appels hydrocarbures (alcanes et alcnes). Ceux-ci sont apolaires, ne forment pas de liaisons hydrogne et ne sont pas solubles dans l'eau. L'alcane le plus simple est le mthane CH4. Le radical -CH3 est appel mthyle. Ces molcules sont peu utilises dans le monde vivant, sauf par certaines bactries. En plus du carbone et de l'hydrogne, la majorit des composs biochimiques contiennent de l'oxygne, qui forment plusieurs combinaisons organiques appeles fonctions:

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- le remplacement d'un H par un groupe hydroxyle -OH sur un carbone donne un alcool: p. ex. le mthanol CH3OH Si l'oxygne est remplac par un atome de soufre, on parlera de thiol. - le remplacement de 2 H par =O donne un groupement carbonyle C=O. Selon que celui-ci se trouve en bout ou l'intrieur d'une chane, il s'agit d'un aldhyde ou d'une ctone: p. ex. le formaldhyde: H2CO - le remplacement de 3 H par =O et -OH donne un acide carboxylique, la fonction -COOH s'appelant carboxyle. Dans l'eau, il peut cder un H+ (comportement acide). Si les 4 H du mthane sont remplacs par de l'oxygne, on obtient du CO2.

Deux alcools ragissent entre eux pour donner un ther par perte d'eau: R-CH2-OH + HO-CH2-R' R-CH2-O-CH2-R' + H2O Un alcool et un acide ragissent entre eux pour donner un ester par perte d'eau:

Le carbone et l'azote forment essentiellement des amines qui sont des bases qui peuvent accepter un proton:

Une amine et un acide ragissent entre eux pour donner une amide par perte d'eau: R-CH2-NH2 + HOOC-R' R-CH2-NH-CO-R' + H2O LES LIAISONS FAIBLES Quand l'hydrogne est li de faon covalente avec un atome lectrongatif (O, N), la paire d'lectrons mise en commun est dlocalise vers cet atome. La liaison se polarise et produit une charge partielle + sur H. Cette charge va attirer les atomes d'un autre groupement montrant une charge -. Il en rsulte des liaisons, appeles ponts hydrognes,

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qui ne sont pas riches en nergie (12 25 kJ) mais qui peuvent contribuer fortement la stabilit des grosses molcules quand elles sont nombreuses.

Deux atomes loigns l'un de l'autre ne s'influencent pas. Trop proches l'un de l'autre, ils se repoussent violemment. Il existe une distance intermdiaire o se dveloppe entre eux une force d'attraction faible appele force de Van der Waals. Ces forces n'ont de signification que dans le cas o les surfaces de macromolcules s'accolent bien l'une l'autre.

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1. LES ATOMES

________________________ L'analyse chimique lmentaire dtermine la nature et les proportions des atomes

rencontrs dans les tres vivants. Dans tous les cas, cette analyse rvle la prsence constante

des onze atomes suivants :

C H O N P S Cl K Ca Na Mg.

Leur concentration varie selon le type et la fonction des plantes et des cellules.

Quatre atomes C, H, O, N constituent l'essentiel ( 96%) des tres vivants.

Les 4% restants sont reprsents par les 7 autres atomes prsents en proportions de

l'ordre du ainsi que par des lments que l'on trouve en quantit de l'ordre du ppm ou

moins: Fe, B, Cr, Cu, Fe, I, Mn, Se, Si, Zn, V, Mo. Ces derniers constituent les

oligolments. Ainsi la nature vivante n'utilise qu'une trentaine des 90 atomes que l'on trouve

dans la crote terrestre. Certains des lments les plus abondants sur Terre, comme

l'aluminium et le silicium, prsents dans de nombreuses roches, ne sont pas ou trs peu

utiliss par les tres vivants.

La molcule la plus abondante dans tous les tres vivants est l'eau (H2O): 70% du poids d'un homme, expliquant la prpondrance de l'hydrogne (l'atome le plus frquent en nombre) et l'oxygne (l'atome reprsentant la masse la plus importante). Les composs organiques (constitus de C, O, H, N, S et P) comptent pour environ 25% du poids total. Les autres composs se retrouvent sous forme d'ions (Na+, K+, Cl-, phosphates, carbonates, sulfates, ammonium) ou sous forme de complexes avec des molcules organiques (Fe, Zn, Mg, Cu).

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2. L'EAU _________________

L'eau reprsente chez l'homme 70% du poids total. Certains tres vivants aquatiques peuvent contenir plus de 90% d'eau. L'eau (H2O) est un "monstre chimique" auquel nous devons la vie. Par rapport aux autres hydrures comparables (H2S , NH3) et mme aux autres

liquides, l'eau possde un point de fusion, un point d'bullition, une chaleur de vaporisation, une tension superficielle, un diple lectrique, une constante dilectrique beaucoup plus levs. Ces proprits particulires sont due sa structure mme :

o O et H possdent une charge partielle (+ pour H et - pour O). Le diple lectrique puissant permet la ralisation de ponts hydrognes. L'angle que font les deux H (104,5) permet la cration d'un rseau dense de ponts H (4 ponts H par molcule d'H2O, ce qui explique la trs forte cohsion interne de l'eau ( 37, 15% des molcules d'eau sont encore lies entre elles). La forte cohsion de l'eau explique ses proprits physiques: temprature d'bullition, tension superficielle (sans ponts H, l'eau glerait -100 et bouillirait -80). Sa chaleur d'vaporation (2,3 kJ/g) l'empche de s'vaporer trop facilement: elle reste liquide. Sa chaleur spcifique importante en fait la fois un bon tampon thermique (homothermie) et un bon transmetteur de chaleur. La glace est un des rares solides moins dense que le liquide correspondant, donc elle flotte. Sans cela, toute l'eau de la Terre serait amasse sous forme de glace aux deux ples. Le diple lectrique de l'eau lui permet d'arracher les ions aux cristaux, donc de solubiliser la plupart des sels et autres composs ioniques (chargs). Par rapport aux autres liquides, l'eau constitue donc un solvant extraordinaire. Sans eau, les molcules, les ions non solubiliss ne se rencontreraient jamais et il n'y aurait pas de raction chimique donc pas de vie. Elle permet le transport de nourriture et de dchets. La forte adhsion de l'eau aux autres molcules polaires (appele hydrophiles) lui permet de "coller" aux parois des cellules vgtales ("effet buvard"). Cette proprit explique la monte de la sve dans les plantes et les arbres.

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Inversment, l'eau exclut les molcules avec lesquelles elle n'interagit pas: les molcules apolaires, appeles aussi hydrophobes. Parmi ces composs, citons les hydrocarbures et les huiles. Cette proprit est galement fondamentale pour les tres vivants.

-+

L'eau se dissocie en ions hydroxyle basique (OH-) et hydronium acide (H3O+). L'acidit d'une solution est mesure par le logarithme de la concentration en H3O + : pH = - log [H3O +]. L'eau intervient encore comme ractif dans de multiples ractions biochimiques que nous tudierons ultrieurement.

Il n'est donc pas exagr de dire que la vie, telle qu'elle s'est dveloppe sur Terre depuis prs de 4 milliards d'annes, n'a t possible que grce aux proprits exceptionnelles que possde la molcule d'eau. L'eau est donc la fois la molcule la plus fondamentale et la plus abondante du monde vivant. Il n'est donc pas tonnant que les scientifiques qui cherchent la vie sur d'autres plantes ou dans d'autres systmes solaires cherchent d'abord dtecter la prsence d'eau.

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3. LES COMPOSES CARBONES _________________________________________________

Les composs organiques sont trs importants et jouent un rle fondamental dans le mtabolisme cellulaire. Ils comptent pour environ 15 25% du poids frais. Nous examinerons d'abord quatre groupes de composs organiques toujours prsents : les glucides, les lipides, les protides, les acides nucliques. Nous citerons ensuite plusieurs sortes de composs organiques plus particuliers, moins constants et moins abondants et qui constituent les produits secondaires du mtabolisme. 3.1. LES GLUCIDES Leur formule gnrale est : Cn(H2O)m. A cause de leur formule, on les a longtemps

dnomms "hydrates de carbone"; cette appellation est abandonne. On divise les glucides en deux classes : 1. les oses (ou sucres simples ou monosaccharides) : - dans la formule gnrale Cn(H2O)m ; n=m ;

2. les osides (ou polysaccharides) - dans la formule gnrale Cn(H2O) m , n>m;

- ce sont des polymres constitus d'oses. Ils peuvent tre hydrolyss : +soit uniquement en oses; ils sont alors dnomms holosides +soit en oses ET une fraction non glucidique, dnomme aglycone ou gnine, ce sont alors des htrosides. 3.1.1 Les oses Les oses se caractrisent par la prsence d'un groupement hydroxyle -OH sur chaque carbone sauf un qui porte le groupement carbonyle C=O. Suivant la position de ce dernier dans la molcule, on distingue : - les aldoses dans lesquels il se trouve en position terminale (aldhyde) - les ctoses dans lesquels il se trouve en position interne (ctone) Une mme formule globale, par exemple C3H6O3, peut correspondre plusieurs

composs diffrents, o l'agencement des atomes est diffrent. Ces corps sont des isomres. Ils possdent des proprits qui peuvent tre trs diffrentes. Ils peuvent parfois se transformer l'un dans l'autre (isomrisation). De nombreux carbones dans les molcules de sucre sont asymtriques, c'est dire lis 4 radicaux diffrents qui peuvent tre disposs

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selon deux manires diffrentes, les stroisomres, D ou L (voir cours de chimie). Les oses naturels sont de la srie D. Suivant le nombre d'atomes de carbone (C) on distingue les oses en C3 ou trioses, en C4 ou ttroses, en C5 ou pentoses, en C6 ou hexoses, en C7 ou heptoses ...

Les oses les plus rpandus sont : - des trioses: C3H6O3 ex: glycraldhyde, dihydroxyactone (cfr glycolyse)

- des pentoses C5H10O5 ex: le ribose; - des hexoses: C6H12O6 tels que le glucose et le galactose (aldose)

ou le fructose (ctose).

Au fur et mesure que le nombre de C augmente, le nombre de C asymtriques augmente aussi, doublant chaque fois le nombre de stroisomres possibles. Toutes les possibilits ne se rencontrent cependant pas dans la nature, qui n'utilise que certains d'entre-eux. Ds que le nombre de C atteint 5 (pentoses et hexoses), la fonction carbonyle (C=O) peut ragir avec un hydroxyle l'autre extrmit de la molcule pour former un hmiactal cyclique. Cette raction est spontane (elle se produit sans l'intervention d'enzyme) et est rversible. Cette fermeture donne un cycle 5 atomes (furanose) ou 6 atomes (pyranose) qui possde un C asymtrique supplmentaire, donc deux formes D et E diffrentes, suivant la position dans l'espace de l'hydroxyle sur le carbone n1.

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Pour expliquer toutes les diffrences entre les isomres, les chimistes font appel, en plus, la disposition dans l'espace des chanes fermes et distinguent la forme "chaise" et la forme "bateau". Nous n'aurons pas faire appel ces particularits. Sans en tenir compte, il existe dj ainsi 24 isomres naturels diffrents chez les hexoses. Tous ont la mme formule gnrale mais tant de forme diffrente, ils auront des ractivits diffrentes. Il est important de garder cette notion l'esprit.

Comme nous le verrons plus loin, les oses jouent un rle trs important dans le mtabolisme cellulaire ainsi que dans certaines ractions de biosynthse. Les oses ont surtout une importance alimentaire, car ils prsentent des formes directement assimilables par l'organisme (glucose, fructose). 3.1.2 les drivs des oses Il existe un certain nombre de molcules qui ne rpondent pas exactement la formule gnrale des glucides (CH2O)n, mais en drivent. Citons: - le dsoxyribose: OH du 2e C est remplac par H : C5H10O4 (voir acides nucliques)

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- les acides uroniques dont la fonction alcool terminale est remplace par COOH: par exemple l'acide glucuronique driv du glucose (voir cycle des phosphopentoses) - les osamines proviennent du remplacement d'un OH par un NH2 : par exemple la glucosamine o le remplacement se fait sur le C2 et la N-actyl-glucosamine dans laquelle un des deux H de NH2 est lui-mme remplac par le rsidu actyle.

Les oses ne sont pas ractionnels. Dans la nature, ils ragissent sous forme phosphoryle. Ils apparaissent suite une raction d'estrification entre l'acide phosphorique et la fonction alcool du sucre la plus loigne de l'aldhyde. Parmi les plus importants citons le glycraldhyde phosphate et son isomre le phosphate de dihydroxyactone (PDHA). Parmi les hexoses existent aussi le glucose-6-phosphate, le glucose-1-phosphate, le glucose-1,6-bisphosphate et les fructoses correspondants. Nous les reverrons en physiologie. 3.1.3. Les holosides Ils proviennent de la raction de condensation entre deux ou plusieurs oses, gnralement des hexoses sous forme cyclique. Cette raction est la formation d'un lien ther entre deux fonctions alcool avec perte d'eau (voir plus haut). La raction inverse est une hydrolyse. Par hydrolyse, ces composs ne donnent que des oses. Suivant le nombre d'oses qui constituent la molcule, on aura des diholosides, des triholosides, des ttraholosides, ... des polyholosides. Citons les principaux holosides: Les diholosides : ils rsultent de l'union de deux oses

2 C6 H12O6 C12H22O11 + H2O

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Exemples: - le saccharose, extrait de la canne sucre ou de la betterave, constitue un des

rares aliments consomms l'tat cristallin (sucre du commerce). Il est constitu d'un glucose li au fructose (voir schma ci-dessus).

- le maltose n'a pas un got aussi sucr que le saccharose. Il est constitu de deux units de glucose. Il est le maillon initial des rserves de sucre des tres vivants (amidon et glycogne).

- le lactose ou "sucre de lait" n' a pas une saveur trs sucre. Le lait de vache en contient 4%, le lait de femme, de 5 8%. Il est constitu d'un galactose li un glucose.

Les oligosaccharides sont composs d'un petit nombre d'hexoses et de leurs drivs. Ils sont trs varis, d'abord parce que les oses sont diffrents (24 hexoses), ensuite parce que les liens glycosidiques peuvent se raliser de diffrentes manires: il existe ainsi 10 faons diffrentes de lier du galactose au glucose, donnant 10 diholosides aux proprits diffrentes! Si l'on passe 3, le nombre dpasse dj le millier. Des oses modifis (N-actyl-glucosamine, acide glucuronique...) sont frquemment incorpors dans les chanes d'oligosaccharides. Il existe donc un nombre extraordinairement grand d'oligosaccharides diffrents dont la nature se sert comme "adresse" ou "tiquette" pour individualiser ou marquer certaines molcules plus grosses ou cellules particulires. Entre autres, la spcificit des groupes sanguins chez l'homme (groupes A, B, AB, O: voir partie gntique) est dtermine par l'existence d'oligosaccharides particuliers lis aux lipides et aux protines de la membrane des globules rouges. Les polyholosides ou polysaccharides: ils rsultent de la condensation, de la polymrisation, d'un grand nombre d'oses pour former des polymres. Ces macromolcules ont des fonctions trs diverses. Elles constituent en premier lieu des rserves de nourriture pour la cellule. Ce sont aussi des lments de soutien.

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Les liaisons se font gnralement entre le C1 de la premire molcule et le C4 de

l'autre. Cette liaison n'est pas plane. Il en rsulte une structure en hlice (amidon) si tous les angles sont orients dans le mme sens ou bien une structure linaire (cellulose) si chaque liaison est place dans le sens inverse de la prcdente. Exemples : - l'amidon : de formule (C6H10 O5)n.H2O, o n a une valeur trs leve.

n (C6H12O6) -> (n - 1) H2O + (C6H10O5)n . H2O

C'est une substance de rserve, accumule sous forme de granules dans beaucoup de cellules vgtales (tubercules de pommes de terre; albumen des graines ...). L'amidon est form d'un mlange de deux polymres dont l'unit de base (monomre) est le glucose. Ces deux polymres sont : l'amylose ( 30%) constituant une chane hlicodale linaire, assez lche; PM = 10.000 50.000 (60 300 glucoses); la forme hlicodale est due au fait que les liaisons sont toutes orientes dans le mme sens et que leurs angles s'additionnent; l'amylopectine ( 70%) formant une chane hlicodale ramifie; PM = 50.000 1.000.000 (300 6000 glucoses). L'ensemble de la macromolcule prsente l'aspect d'un buisson assez peu fourni. - le glycogne : rserves glucidiques des animaux (dans le foie). Sa structure ressemble celle des amylopectines (chane hlicodale ramifie) mais montre un aspect buissonnant plus dense. - la cellulose : elle a la mme formule globale que l'amidon (C6H10O5)n. H2O mais les glucoses sont lis en et les angles s'annulent entre eux si bien que le polymre est linaire et non hlicodal. C'est le constituant essentiel des parois des cellules vgtales : PM = 300.000 500.000 (2.000 3.000 glucoses). - la chitine des animaux forme de l'union de N actyl glucosamines lies en 1->4 - les pectines (polymres d'acide galacturonique, un driv du galactose) interviennent dans la constitution de la paroi primaire des cellules vgtales. Les holosides ont une importance trs grande, tant alimentaire (saccharose, amidon), qu'industrielle (coton, papier). Les oses ainsi que les bi- et les triholosides sont des corps sucrs cristallisables, trs solubles dans l'eau. Les polyholosides poids molculaire lev comme l'amidon et la cellulose, ne sont pas sucrs, et prsentent une solubilit variable dans l'eau: la cellulose forme des fibres du fait d'interaction (ponts hydrognes) entre molcules. Ces fibres sont insolubles, mme si elles peuvent tre mouilles (papier). Les fibres n'tant pas en solution mais en suspension dans l'eau, le liquide reste opaque (pte papier). L'amidon peut tre solubilis dans l'eau bouillante. Dans ce cas, la solution est transparente. Dans les cellules vgtales, il se prsentent souvent sous forme de petits granules insolubles.

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Les enzymes digestives hydrolysent facilement l'amidon, le saccharose et le glycogne, alors qu'elles ne sont pas capables de rompre les liaisons entre les units glucoses de la cellulose. Seules certaines bactries, prsentes notamment dans le tube digestif des ruminants, sont capables de dgrader la cellulose. 3.1.4 les htrosides Ce sont des osides dont l'hydrolyse (acide ou enzymatique) donne d'une part des holosides (qui peuvent tre eux aussi hydrolyss en oses) et d'autre part, une fraction non glucidique dnomme aglycone ou gnine. L'aglycone est souvent une protine ou un lipide donnant respectivement une glycoprotine ou un glycolipide. Ces molcules, prsentes systmatiquement sur les membranes cellulaires, servent de "marqueurs" d'identit cellulaire, de signaux de reconnaissance. Dans la plante, on trouve en plus des htrosides dous de proprits pharmacologiques ou toxiques. Certains mdicaments parmi les plus puissants extraits des plantes (digitaline des digitales par ex.), mais aussi les produits toxiques des plantes (convallatoxine du muguet) sont des htrosides. Leurs proprits thrapeutiques sont trs diverses. 3.2 LES LIPIDES Les lipides ou matires grasses regroupent un ensemble de corps d'origines diverses. Ils jouent le rle de rserves d'nergie, membranes semi-permables, lments de structure intra-cellulaires, lments de protection des pidermes... Ils possdent en commun la proprit d'tre insolubles dans l'eau (hydrophobes), mais trs solubles dans les solvants apolaires (alcanes, benzne, cyclohexane, ttrachlorure de carbone). Cette proprit est due l'importante fraction "hydrocarbone" apolaire de leur molcule. Leur classification se base sur leur structure. Nous distinguons:

- les acides gras - les lipides saponifiables - les strodes.

Certaines vitamines font aussi partie de la classe des lipides: les vitamines A, D, E et K.

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3.2.1 Les acides gras. Les acides gras comprennent un chane hydrocarbone de longueur variable, comprenant n atomes de carbone lis des atomes d'hydrogne, et termine par le groupement acide carboxylique. a) les acides gras saturs : leur formule globale est CH3-[CH2]n-2-COOH Citons les plus courants: - acide palmitique n = 16 C16H32O2 (dcouvert dans la noix palmiste) - acide starique n = 18 C18H36O2 b) les acides gras insaturs. Ils possdent une ou plusieurs doubles liaisons (-C=C-) Citons les drivs insaturs de l'acide starique : - acide olique C18H34O2 une double liaison - acide linolique C18H32O2 deux doubles liaisons - acide linolnique C18H30O2 trois doubles liaisons

Les acides gras saturs ont une forme linaire (par annulation rciproque des angles du carbone) tandis que les acides insaturs forment une ligne brise, ce qui va modifier les proprits physiques des structures dans lesquels ils sont inclus. Notons ds prsent que la quasi totalit des acides gras saturs naturels possdent un nombre pair d'atomes de carbone, en raison de leur mode de synthse (voir partie Physiologie du cours). La fonction acide carboxylique possde un pKa d'environ 4, ce qui veut dire que cette fonction est ionise pH 7, sous forme de carboxylate -COO-.

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3.2.2. Les lipides saponifiables Ils proviennent de l'estrification d'un alcool et d'un acide gras: R-COOH + HO-CH2-R' --> R-CO-O-CH2-R' + H2O La raction inverse (hydrolyse) est dnomme saponification parce que l'hydrolyse des graisses naturelles par les bases fortes (NaOH, KOH...) donne les sels de ces acides gras lesquels sont typiquement des savons. Suivant la nature de l'alcool utilis, on distingue: Les glycrides: l'alcool est un trialcool : le glycrol. Il peut ds lors s'unir 1, 2 ou 3 acides gras formant respectivement des mono- des di- ou triglycrides. Ces derniers constituent la principale forme de stockage des lipides chez les plantes et les animaux. Ils peuvent contenir la fois des acides gras saturs et insaturs. Les triglycrides saturs sont solides temprature ambiante (graisses), alors que les triglycrides contenant une majorit d'acides gras insaturs sont liquides (huiles).

Les phospholipides rsultent de l'estrification du glycrol par deux acides gras et par l'acide phosphorique (H3PO4). Leur importance est norme car ils constituent les membranes

biologiques qui dlimitent les divers organites cellulaires. Une seconde fonction -OH du groupe phosphate est souvent estrifie par une amine (srine, thanolamine, ou choline), charge positivement pH physiologique. On parlera alors de phosphatidylsrine, phosphatidylthanolamine, ou phosphatidylcholine.

Citons aussi les sphingolipides. Dans ce cas, l'alcool est la sphingosine, alcool longue chane carbone. Le plus simple est la sphingomyline. Ces lipides ont une structure globale et des proprits proches des phospholipides. Ils peuvent tre coupls des sucres. Par exemple, les crbrosides du systme nerveux et du cerveau et les gangliosides (matire grise du cerveau). On attribue ces composs des rles trs importants au niveau des membranes externes des cellules animales.

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Citons enfin les crides. Ce sont des esters forms d'un acide gras et d'un alcool possdant tous les deux une trs longue chane carbone (jusqu' 30, 40 C) ; ils constituent la cire d'abeille, le blanc de baleine, certaines scrtions cutanes, les cires recouvrant les feuilles, fleurs ou fruits. 3.2.3. Les strodes Tous les strols ou strodes possdent 4 cycles caractristiques. Ils diffrent entre eux par la longueur de la chane latrale, des doubles liaisons et des groupements chimiques accrochs au diffrents cycles. Contrairement aux acides gras, que l'on retrouve dans tous les tres vivants, chaque rgne possde des strodes diffrents.

Le strode le plus abondant chez les animaux est le cholestrol, un composant important des membranes cellulaires. Le cholestrol est hydrophobe et insoluble dans l'eau. En drivent notamment : - les acides biliaires, chargs ngativement pH neutre, qui ont des proprits tensioactives et sont ncessaires l'mulsification des graisses dans l'intestin;

Reprsentation schmatique d'un phospholipide.

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- les andrognes (hormones sexuelles mles), comme la testostrone; et les hormones sexuelles femelles: oestradiol et progestrone; - la corticostrone, le cortisol et d'autres hormones; - les vitamines D (calcifrol) Chez les plantes, on ne retrouve pas de cholestrol, mais d'autres composs de la mme famille, comme les phytostrols. Dans le rgne des myctes, l'ergostrol remplace le cholestrol dans les membranes. 3.2.4 Proprits physico-chimiques Si tous les lipides, simples ou complexes, ont en commun la proprit physique d'tre solubles dans les solvants organiques apolaires, ils montrent aussi une autre particularit: ce sont des molcules amphipathiques. En effet, une extrmit, la tte, est hydrophile (le reste du glycrol, riche en oxygne, l'endroit o se fait l'estrification) et l'autre partie, la queue, est hydrophobe. Cette proprit est particulirement importante pour les lipides chargs (phospholipides, acides gras et acides biliaires sous forme de carboxylates): ces lipides ont des proprits tensioactives. En prsence d'eau, les molcules vont se placer dans une orientation particulire de faon exposer les parties charges du cot de l'eau et rassembler les parties hydrophobes. Ces molcules agissent comme des dtergents: ils sont capables de solubiliser les graisses dans l'eau en formant un film l'interface entre eau et graisse, o toutes les molcules sont orientes de la mme faon (tte hydrophile ct eau, et queues hydrophobes ct graisse). Les matires grasses peuvent tre solides (graisses et cires sur certaines parois cellulaires) ou liquides (gouttelettes d'huiles ou globules lipidiques dans le cytoplasme). A poids gal, les matires grasses sont deux fois plus nergtiques que les glucides. Elles constituent donc des produits de rserve des animaux qui doivent les transporter. Mais elles s'accumulent aussi chez les plantes dans le fruit (olive) ou dans certaines graines dites "olagineuses". Au cours de la maturation des graines, les lipides sont mis en rserve. Lors de la germination, l'embryon va utiliser, pour sa croissance, les produits de la dcomposition de ces graisses. 3.3. LES PROTIDES Les protides sont les constituants les plus essentiels et les plus complexes de la matire vivante. Ce sont donc des corps construits partir de 6 atomes : C (54%), O ( 22%), N (16%) et H (8%), ainsi que S (0,2-2%) et P (0,5%).

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Le poids molculaire des protides est fort variable et toujours trs lev (lactalbumine: 17 400; hmoglobine : 64 500). On peut classer les protides en trois catgories, intgrant des corps de complexit croissante :

les acides amins, les peptides et polypeptides les htroprotines.

3.3.1. Les acides amins Ils rpondent la formule gnrale suivante :

NH2 - CH - COOH

R Comme pour les oses, le carbone li l'amine et au groupement R est asymtrique et il

existe deux sries d'acides amins, L ou D. Les acides amins naturels sont de la srie L. Ce sont des composs amphotres qui se comportent soit comme une base en milieu acide, grce la fonction amine (-NH2 devient - NH3+), ou comme un acide en milieu alcalin, grce la fonction carboxyle (-COOH devient -COO-). En solution neutre, les acides amins subissent une raction acide-base interne. Globalement, la molcule est donc neutre, mais elle est charge positivement sur l'amine et ngativement sur le carboxylate.

Il existe plus de 100 acides amins naturels, mais seuls 20 d'entre eux se retrouvent dans les protines. Les acides amins sont identifis l'aide d'un code trois ou une lettre:

glycine gly G alanine ala A

valine* val V leucine* leu L

isoleucine* ile I phnylalanine* phe F

lysine* lys K arginine arg R

histidine** his H acide aspartique asp D

acide glutamique glu E tryptophane* trp W

proline pro P cystine cys C

mthionine* met M asparagine asn N

glutamine gln Q srine ser S

thronine* thr T tyrosine tyr Y

Ils diffrent entre eux par la nature du radical R qui peut tre :

- petit (GLY) ou grand (TRP),

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- polaire, hydrophile (ASN, GLN, SER, THR*, TYR) ou non polaire, hydrophobe (ALA,

CYS, GLY, ILE*, LEU*, MET*, PHE*, PRO, TRP*, VAL*),

- acide (ASP, GLU) ou basique (LYS*, ARG, HIS).

L'homme ne peut pas synthtiser les 8 acides amins (*), plus l'histidine** chez les enfants.

Il est donc essentiel qu'il puisse les trouver dans les aliments qu'il absorbe. Les vgtaux et

certaines bactries, par contre, peuvent synthtiser la fonction -NH2 et fabriquer tous les

acides amins, y compris certains qui ne participent pas la constitution des protines.

3.3.2. Les peptides Ces corps rsultent de la condensation par liaison amide (ou liaison peptidique) de 2 ou plusieurs acides amins avec chaque fois une perte d'eau. Deux acides amins forment un dipeptide; trois, un tripeptide; ...

R-COOH + NH2-R' --> R-CO-NH-R' + H2O

L'enchanement des acides amins (AA) se ralise de manire linaire, chaque AA tant li par son NH2 au COOH de l'acide prcdent et par son COOH au NH2 du suivant.

. Dans un peptide, l'une des extrmits est occupe par un groupe amine -NH2, l'autre

par un groupe acide -COOH (tous deux sont chargs pH physiologique). On numrote les rsidus d'acides amins d'un peptide en commenant par celui qui porte le groupement NH2 libre et en se dirigeant vers celui qui porte le groupement -COOH libre.

Peptide His-Cys-Val

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A part ces deux fonctions terminales, on voit que le lien peptidique empche les autres fonctions amines et carboxyles d'intervenir dans les ractions ultrieures. Par contre, les groupements R peuvent tablir des liaisons (faibles ou fortes) avec d'autres groupements R ou avec d'autres molcules. Ainsi deux rsidus cystines peuvent s'unir par la formation d'un pont disulfure entre leurs groupements -SH, en donnant la Cystine (CYS-CYS). Cette liaison a un rle important dans le maintien de la structure tertiaire des protines (voir plus loin).

3.3.3. Les polypeptides

Le terme peptide est utilis pour des chanes qui contiennent entre 2 et une

cinquantaine d'acides amins (et qui peuvent tre produites par synthse chimique au laboratoire). Le terme polypeptide (ou holoprotine) est utilis pour de grands peptides, qui ne peuvent tre fabriqus que par des tres vivants. La distinction entre ces deux termes n'est cependant pas toujours claire. Par hydrolyse, les peptides et polypeptides ne librent que des acides amins. La diversit et les proprits spcifiques des polypeptides sont dues la NATURE, au NOMBRE et l'ORDRE dans lequel les acides amins sont rangs. On peut comparer ces grosses molcules aux mots que nous formons avec les lettres de l'alphabet. Le sens des mots dpend des trois mmes facteurs comme dans l'exemple suivant : partir du mot MAIS, on obtient MARS, MAI, AMIS en modifiant un des facteurs. Une trs faible modification (ex. MAS) peut entraner une forte diffrence d'interprtation. Mais l'inverse des mots qui dpassent rarement 20 lettres, la plupart des polypeptides contiennent plus de cent acides amins. Changer un seul de ceux-ci revient modifier parfois compltement les proprits d'une protine. Les mmes acides amins peuvent se rpter plusieurs fois dans une mme chane polypeptidique. Le nombre de combinaisons - et donc de protines - est thoriquement illimit (il existe 202 =400 dipeptides diffrents, 2010 = dix mille milliards de dcapeptides diffrents et pour 100 AA, on arrive au nombre inconcevable de 10130). Toute la richesse de la vie est due cette varit infinie. Toutes les possibilits ne sont cependant pas utilises par la nature et on constate souvent qu'elle utilise rgulirement les mmes "motifs", les mmes squences qui se sont montres efficaces. La squence des acides amins constitue donc la base des molcules protiniques. C'est la structure primaire des protines. Les chanes polypeptidiques ne sont pas droites (les angles des liaisons chimiques ne sont pas de 180) et prsentent une certaine conformation dans l'espace: - soit sous forme d'une hlice D dont le pas est dirig vers la droite;

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- soit sous forme d'un feuillet tir et pliss (conformation ).

De trs nombreux ponts hydrogne, internes pour l'hlice ou intermolculaires pour les feuillets plisss , stabilisent ces difices. Ces formes caractrisent la structure secondaire de la protine. Une mme protine peut contenir certains segments organiss en hlices alpha et d'autres en feuillets bta. La structure tertiaire est la forme tridimensionnelle des protines. Elle est engendre par des interactions qui se ralisent entre les radicaux R des acides amins constitutifs (ponts hydrogne, ponts disulfures, rpulsions hydrophobes, ractions acide-base) qui stabilisent l'difice. Certaines de ces liaisons sont covalentes et donc trs solides comme les ponts disulfures. D'autres, au contraire ne sont efficaces qu' cause de leur nombre comme les ponts hydrogne. Il n'est donc pas rare qu'une protine puisse changer de forme selon l'environnement chimique et que ce changement soit la cause de son activit ou la modifie compltement (phnomne d'allostrie).

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D'aprs leur structure tertiaire, on distingue deux types de protines: - Les protines fibrillaires: elles sont formes de longues chanes d'acides amins enroules autour du mme axe. Elles sont gnralement trs rsistantes et insolubles dans l'eau. Leur structure secondaire n'est reprsente que sous forme d'hlices D (kratines des peaux, cheveux, laines, cailles, plumes, ongles, sabots... et le collagne du tissu conjonctif) ou de feuillets plisss (fibrone du ver soie). - Les protines globulaires ont une forme trs compacte plus ou moins sphrique due une succession d'hlices alpha et de feuillets plisss. Elles sont gnralement solubles dans l'eau et les solutions salines. Elles concentrent en leur centre les chanes latrales hydrophobes, en tournant vers l'extrieur leurs groupements hydrophiles. Enfin, plusieurs chanes protiniques peuvent s'associer pour former des units fonctionnelles supra-molculaires, ou complexes, qui constituent la structure quaternaire des protines. Nous en verrons quelques exemples typiques en physiologie. 3.3.3. Les htroprotines

Les polypeptides, parfois appels holoprotines, peuvent tre modifis ou coupls

d'autres types de molcules (sucres, lipides). On parlera alors d'htroprotines. Polypeptides et htroprotines sont souvent rassembls sous le terme gnral de protines. Les htroprotines peuvent tre considres comme rsultant de l'union d'une holoprotine avec un groupement prosthtique non form d'acides amins. Selon la nature du groupement prosthtique, on distingue plusieurs catgories d'htroprotines : - les glycoprotines: holoprotine + glucides (protines de surface, J-globulines du sang). - les lipoprotines : holoprotine + lipide. - les phosphoprotines : holoprotine + H3PO4 . - les mtalloprotines: protine + mtal (ferritine stockant le Fe dans le sang). Certaines protines sont fortement colores du fait de leur association avec un groupement prosthtique organomtallique color (flavoprotines, catalase, cytochromes, hmoglobine).

Les protines ont des rles trs divers et trs importants, dont il est difficile de faire une liste exhaustive. Certains polypeptides sont des hormones (insuline qui rgularise le taux de sucre dans le sang). D'autres polypeptides sont des antibiotiques (tyrothricine, gramicidine) ou des poisons (amanitine et phallodine des champignons mortels) ou confrent certaines plantes leur toxicit leve (la ricine du ricin, la crotine du Croton...). Citons : - les enzymes: les plus importants; ce sont eux qui effectuent la chimie cellulaire. - le transport: hmoglobine du sang

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- le stockage: ferritine, ovalbumine - la structure: collagne, fibrone, kratine - le mouvement: actine, myosine, tubuline - la dfense: immunoglobulines - la rgulation: hormones (insuline), rpresseurs - les poisons: ricine, amanitine, venins, toxine diphtrique. Les protides (qui regroupent acides amins, peptides et protines) sont indispensables dans l'alimentation de l'homme, puisqu'il ne peut pas fabriquer certains acides amins. 3.4. LES ACIDES NUCLIQUES Les nuclotides et acides nucliques sont constitus au dpart d'une association de 3 lments chimiques diffrents: un phosphate, un pentose et une base organique azote. 3.4.1. Les nuclotides Dans chaque nuclotide on trouve, outre un groupement phosphate, - un pentose qui est soit le ribose (dans les ARN et les nuclotides libres), soit le dsoxyribose (dans l'ADN).

- une base azote. Il en existe 5 qui sont soit du type pyrimidique (un htrocycle carbon contenant 2 azotes), courtes (cytosine (C), thymine (T), uracyle (U)), soit du type purique (deux htrocycles carbons accols contenant 4 azotes) longues (adnine (A), guanine (G)).

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La liaison entre le C1' du sucre et un N de la base donne un nucloside.

La liaison supplmentaire entre le C5' et un phosphate donne un nuclotide. Les nuclotides peuvent tre phosphoryls une deuxime et une troisime fois pour donner des nuclotides di- ou triphosphates. Ces derniers ont un rle essentiel dans les transferts d'nergie et dans la construction des acides nucliques. Les liens ester forms entre deux phosphates dans ces ractions sont dits "riches en nergie" car leur hydrolyse libre 30,5 kJ/mol, mais l'nergie accumule n'est pas localise dans la liaison elle-mme.

Les nuclotides interviennent aussi comme constituants dans d'autres molcules importantes comme les coenzymes (voir chapitre sur les enzymes).

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La condensation de nuclotides donne des acides nucliques ou polynuclotides. La liaison ester se fait entre le C3' du premier et le phosphate du

suivant. Dans l'acide dsoxyribonuclique (ADN), le sucre en C5 est le dsoxyribose, et les bases sont l'Adnine, la Guanine, la Cytosine et la Thymine (A,G,C,T).

Dans l'acide ribonuclique (ARN), le sucre en C5 est le ribose, et les bases sont

l'Adnine, la Guanine, la Cytosine et l'Uracyle (A,G,C,U). 3.4.2. Les acides dsoxyribonucliques L'ADN a un poids molculaire tellement lev (plusieurs milliards chez l'homme) que son calcul n'a plus aucun sens. Il est quasiment impossible de ne pas casser la molcule quand on l'isole. L'analyse chimique des ADN montre que la concentration en bases puriques (longues) est gale la concentration des bases pyrimidiques (courtes) [A + G] = [C + T]. Et plus prcisment [A] = [T] et [G] = [C]. Or, justement, A et T peuvent s'accoupler par deux ponts hydrognes, de mme G et C forment 3 ponts hydrognes entre eux.

En se basant sur ces observations et sur les diagrammes de diffraction aux rayons X, WATSON & CRICK (1953) proposrent le schma structurel suivant : La molcule d'ADN est forme non pas d'une, mais de deux chanes de nuclotides. Ces deux chanes sont complmentaires l'une de l'autre : une base purique sur une chane correspond toujours une base pyrimidique sur l'autre: A correspond toujours T, G C et vice versa: T A, C G. Chacune des bases d'une chane est lie la base correspondante par des ponts hydrogne. De plus, les deux chanes C5 - P - C5 - P -... ne sont pas droites mais hlicodales

(comme dans la structure secondaire des protines) et antiparallles (c'est--dire que si l'on considre qu'une chane "monte", l'autre "descend" : voir schma p. suivante).

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La structure se prsente comme une chelle de corde trs longue, tordue sur elle-mme. Ses montants sont constitus de l'enchanement alternatif sucre-phosphate. Les barreaux de l'chelle sont constitus d'une base purique, et d'une base pyrimidique, lies d'un ct au montant de l'chelle (au carbone 1 du dsoxyribose) et lies entre-elles par des ponts hydrogne. La rupture de ces liaisons hydrogne entre A et T et entre C et G (par une lvation de temprature entre 85 et 100) provoque la sparation des deux montants polynuclotidiques et ce rsultat peut tre obtenu sans que se produisent des ruptures dans les chanes nuclotidiques.

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La disposition des bases A,T,C,G formant les barreaux de l'chelle est la seule variable du systme, et seules 4 combinaisons sont possibles : Adnine-Thymine et Thymine-Adnine (A-T et T-A) et Guanine-Cytosine et Cytosine-Guanine (G-C et C-G). Les proprits de l'ADN dpendent de l'ordre dans lequel les paires de bases A-T, T-A, G-C et C-G sont runies. Ainsi le nombre de combinaisons - et donc le nombre de sortes d'ADN - est-il quasi illimit. Dans sa forme "classique", les deux montants de la double hlice sont distants de 1,8 nm. Un tour de spire complet est parcouru sur une distance de 3,4 nm et englobe 10 paires de bases. La hauteur occupe par un nuclotide est donc de 0,34 nm. Les chelons de l'chelle, mesurant 1,1 nm correspondent la longueur des bases puriques ou "longues" (0,55 nm), des ponts hydrognes (0,3 nm) et des bases pyrimidiques ou "courtes" (0,25 nm). La paire de base ne passant pas par l'axe de symtrie de la molcule, les deux montants ne sont pas diamtralement opposs. En vue latrale, on observe donc un grand et un petit sillon entre les montants de l'chelle (cfr schma de la page prcdente). La molcule d'ADN humain est un filament extrmement mince : une double hlice reliant la terre au soleil ne pserait que 0,5 g et un homme en possde 200 fois plus, soit 15 30 milliards de km. Une cellule humaine somatique contient 56 x 10-13 g d'ADN soit 3 milliards de paires de bases ou 1,75 mtres d'ADN, dcoup en 46 morceaux de tailles ingales. Il faudrait rassembler tout l'ADN de 60 milliards d'hommes pour en avoir une mole. La Terre n'a donc jamais compt une mole d'ADN humain. 3.4.3. La chromatine Les acides nucliques sont souvent associs des protines. Il s'agit bien d'une association entre deux ou plusieurs molcules et non d'une liaison entre constituants d'une mme molcule. Chez les Procaryotes, o l'ADN est circulaire, on le trouve selon le moment du cycle vital, soit l'tat libre, non associ des protines, soit agglomr en une super-hlice entoure de protines. Chez les Eucaryotes, selon le moment, les nucloprotines (association d'acides nucliques et de protines) se prsentent soit disperses, sous forme de chromatine, soit condenses sous forme de chromosome que nous tudierons plus loin. La nucloprotine prsente l'aspect d'un collier de perles. Chaque perle, appele nuclosome a un diamtre de 11 nm et une paisseur de 5,5 nm. Chaque nuclosome est constitu au centre d'un groupe de 8 histones (protines basiques) : H2A, H2B, H3, H4 en 2

exemplaires chacune, autour desquelles s'enroulent 140 paires de nuclotides de l'ADN sur 1 tour 3/4. Les histones s'associent au centre par les radicaux hydrophobes de leurs acides

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amins tandis qu'elles tournent vers l'extrieur leurs radicaux basiques (ARG, LYS, HIS). L'union avec l'ADN se ralise alors par simple raction acide-base. Deux nuclosomes successifs sont spars par 15 nm d'ADN (le fil du collier). A cet endroit se trouve aussi une cinquime histone (H1) qui intervient dans les condensations ultrieures de la molcule. [les histones H3 et H4 sont extraordinairement stables puisqu'on les retrouve pratiquement

identiques aussi bien chez les animaux que chez les vgtaux suprieurs... que sparent pourtant 109 annes d'volution divergente]. 3.4.4. La structure des ARN

Ces macromolcules sont des polynuclotides monocatnaires non apparis mais autocomplmentaires par les reploiements sur elles-mmes de certaines parties de cette chane (ces repliements sont appels structures secondaires). Outre leurs diffrences chimiques (ribose la place du dsoxyribose, et U la place de T), les ARN sont en gnral plus petits et plus fragiles que l'ADN.

Il existe plusieurs sortes d'ARN dont les fonctions seront tudies en physiologie.

les ARN messagers : (ARNm) : Ce sont des ARN libres correspondant l'enchanement de quelques centaines plusieurs milliers de nuclotides. Chaque molcule est forme d'une chane unique de nuclotides dont les bases sont A,U,C,G. Ils forment environ 5% de l'ARN cellulaire total. (c'est pour la dcouverte des ARNm que

LWOFF, MONOD et JACOB se sont vus dcerner le prix Nobel de mdecine en 1965).

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les ARN de transfert (ARNt): Ce sont les plus petits acides nucliques. Ils comprennent de 70 90 nuclotides. Chaque cellule contient au moins une cinquantaine d'ARNt diffrents. 50 60 bases

s'apparient entre-elles, confrant la molcule une forme de trfle trois boucles. Dans l'espace, la forme tridimensionnelle (en L ou en boomerang) est la mme pour tous les ARNt

connus. Ils prsentent deux caractristiques essentielles 1) une extrmit (3') toujours termine par C-C-A, l'autre par G; 2) la boucle du milieu, la plus loigne des extrmits, est forme de bases non apparies, dont 3 constituent l'anticodon. Les ARNt constituent environ 15% de l'ARN total de la cellule.

les ARN ribosomiaux (ARNr)

Ils sont constitutifs des ribosomes dans lesquels ils forment, avec des protines, des nucloprotines riches en G et C. Leur poids molculaire varie entre 500 000 et 1 200 000 et ils reprsentent environ 80% de l'ARN total de la cellule.

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3.5. LES AUTRES COMPOSES ORGANIQUES Les glucides, lipides, protides sont les principaux constituants des tres vivants. Une srie d'autres composs sont prsents en quantits plus faibles, ou dans certains organismes seulement. Mentionnons-en brivement quelques uns: les acides organiques, les pigments, les alcalodes, les hormones, les vitamines, les essences, les rsines et olorsines, les tanins et les latex. Les acides organiques forment un groupe restreint d'acides carboxyliques qui se trouvent au carrefour des diffrentes voies mtaboliques. Ils permettent le passage d'une classe de composs chimiques une autre. Ce sont les lments centraux du mtabolisme intermdiaire retrouv dans tous les tres vivants (cf. physiologie). Les vitamines sont des molcules diverses; qui agissent l'tat de traces, dans plusieurs cycles essentiels de la vie. L'homme en a absolument besoin mais ne peut pas les synthtiser ou alors en quantit trop faible, il doit les trouver dans son alimentation. On distingue les vitamines liposolubles (A,D,E,K) dj mentionnes et les vitamines hydrosolubles (B,C). Ces dernires jouent surtout un rle en tant que composant de diverses coenzymes (voir plus loin). Les porphyrines (et leurs drivs les protoporphyrines) sont des molcules polycycliques planes capables de complexer un atome mtallique, comme le fer dans l'hme, ou le magnsium dans la chlorophylle. Ces molcules sont souvent insres au cur de protines qui servent de transporteurs d'oxygne (hmoglobine, myoglobine), de transporteurs d'lectrons (cytochromes) ou de capteur de lumire.

Les plantes sont particulirement riches en composs chimiques divers. On en dcouvre encore chaque jour. Leur arsenal est pratiquement infini. La raison fondamentale en

Hme de l'hmoglobine (Fe-protoporphyrine IX)

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est que les plantes, incapables de mouvement, ont du inventer un langage chimique soit pour attirer les animaux dont elles ont besoin pour leur reproduction ou leur dispersion, soit pour se dfendre des prdateurs (herbivores). Parmi ces molcules citons: Les essences sont des mlanges de substances odorantes volatiles que l'on peut extraire de certains vgtaux. Outre leur rle de condiments, stimulants de l'apptit et de la digestion (gingembre, muscade, poivre...), elles ont des proprits diverses, parfois toxiques ou exploites en mdecine traditionnelle: antiseptiques des voies respiratoires (eucalyptus), antispasmodiques (camomille), stomachiques (mlisse) et abortives forte dose (absinthe, rue, sabine, thuya, tanaisie). Certaines essences sont utilises en parfumerie et dans la prparation des cosmtiques. Les alcalodes sont des substances organiques azotes complexes prsentant une raction basique ("alcalis") plus ou moins importante. On connat actuellement 5000 alcalodes naturels diffrents. Ils ne sont synthtiss que par les plantes et exercent des effets physiologiques importants sur les animaux et l'organisme humain. Certaines familles d'Angiospermes sont rputes pour leur richesse en alcalodes (Solanaces, Rubiaces, Papavraces). Une mme plante peut contenir plusieurs alcalodes (la morphine et 24 autres chez le pavot) et inversment, un mme alcalode peut se trouver dans des plantes diffrentes (cafine des cafier, colatier, thier...). Les alcalodes sont responsables de la toxicit des plantes qui en renferment, mais sont aussi sources de mdicaments trs importants. Certains alcalodes agissent sur le systme nerveux (morphine du pavot, atropine de la belladone, cafine du cafier, nicotine du tabac). D'autres agissent au niveau du systme vasculaire, ce sont des hypotenseurs (rserpine du rauwolfia...) ou des hypertenseurs (phdrine de l'ephdra). La colchicine (des colchiques) est un antimitotique (voir partie sur la division cellulaire et la mitose).

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Questions de rflexion : 1.1- Comparez les proprits physicochimiques des phospholipides et des triglycrides. 1.2- Quelle est la squence complmentaire de TGCCATA ? Dessinez la structure bicatnaire de cet oligonuclotide appari sa squence complmentaire, en indiquant les phosphates, les bases et les sucres. Identifiez les extrmits 5 et 3. 1.3- Les acides gras ont un pKa proche de 4. Sous quelle forme sont-ils pH 7 ? 1.4- Le savon de Marseille est fabriqu en hydrolysant de lhuile vgtale laide de KOH. Ecrivez lquation chimique de cette raction. 1.5- Citez trois types de glycoprotines vues au cours (dans les parties suivantes). 1.6- Quels sont les composs biochimiques que lhomme doit absolument trouver dans son alimentation ? Comment les appelle-t-on ?

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Deuxime Partie

CYTOLOGIE

Objectifs : - Connatre larchitecture cellulaire - Comprendre la dynamique cellulaire : trafic intracellulaire, reproduction, communication et

mort des cellules. - Connatre les diffrences entre les cellules des diffrents rgnes - Etablir des liens avec les autres chapitres du cours (notamment sur la structure et les

proprits des membranes, le mtabolisme, la miose). INTRODUCTION Tous les tres vivants possdent un caractre commun : ils sont forms d'un certain nombre d'units biologiques lmentaires : les cellules. Depuis la dcouverte de la structure cellulaire des tissus vgtaux par R. HOOKE en 1665, le microscope est l'lment indispensable qui a permis le dveloppement de la cytologie. Celle-ci a fait d'normes progrs depuis une quarantaine d'annes grce au microscope lectronique qui a rvl l'tonnante richesse des ultra-structures des divers constituants de la cellule. L'introduction de techniques nouvelles (chimiques, physiques et gntiques) permet l'exploration d'un domaine nouveau, celui de la biologie molculaire qui prcise, au niveau mme des constituants cellulaires, l'agencement et la nature des molcules qui difient la matire vivante.

1. STRUCTURE GNRALE DE LA CELLULE ______________________________________________________

Les premires reprsentations cellulaires sont dues R. HOOKE (1665) qui examina au microscope, des coupes dans du lige (bouchon). Il y distingua de petites alvoles vides, juxtaposes, spares par des cloisons et auxquelles il donna le nom de cellula (petite chambre). 160 ans plus tard DUTROCHET (1824) affirma que les cellules taient les vritables units constitutives de tout tre vivant, d'o dcoula en 1838 la "thorie cellulaire" de

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SCHLEIDEN (botaniste) et SCHWANN (zoologiste) : "la cellule avec sa matire vivante est morphologiquement et physiologiquement l'unit lmentaire de structure et de fonction". Tous les tres vivants possdent au moins une cellule. Chez les tres pluricellulaires, les cellules se spcialisent (phnomne de diffrenciation). Les cellules qui exercent la mme fonction se regroupent en ensembles appels tissus, tudis en histologie. Les cellules bactriennes, l'image de ce que furent les premiers tres vivants, ne contiennent que le minimum pour vivre: leur taille est trs petite (de l'ordre du m); la seule membrane qu'ils possdent est la membrane plasmique; l'ADN est sous forme d'une molcule unique, circulaire, non associe des histones, en contact direct avec le reste du cytoplasme; toutes les ractions se ralisent dans un cytoplasme unique, non compartiment; les possibilits mtaboliques sont limites. L'volution a transform progressivement les procaryotes en eucaryotes. Les principales modifications qui se sont produites sont les suivantes: - accroissement de la taille d'un facteur >10 (le volume augmente donc d'un facteur >1000) ce qui ncessite un brassage continuel du cytoplasme (cyclose). Les levures ne dpassent pas 5 m, alors que les cellules nucles des eucaryotes suprieurs dpassent 10 m. D'une faon trs gnrale, les cellules animales sont moins grandes (10 - 30 m) que les cellules vgtales (10 - 200 m); mais l'ovule de poule 30 mm (jaune d'uf) et l'ovule humain, 200 m ! Les dimensions cellulaires varient considrablement, dans la mme espce, en fonction du type cellulaire. Certains neurones ont des prolongements (axones) qui peuvent atteindre un mtre ! - accroissement de l'information: la longueur de l'ADN est multiplie par 1000, ce qui ncessite une organisation, une coordination nettement plus pousse. Ceci a entran la cration du noyau et l'invention de la mitose. - compartimentation du cytoplasme de la cellule en un grand nombre de petits organites limits eux-aussi par une membrane unitaire du mme type que la membrane cellulaire. Chacun de ces organites est spcialis dans une fonction prcise, comprenant ses propres enzymes, et se trouvant dans des conditions physico-chimiques plus adquates son fonctionnement. Le gel dans lequel baignent les organites et le noyau est appel cytosol. L'volution a aussi spar les animaux des vgtaux. C'est une consquence de leurs modes de rcupration nergtique. Les animaux trouvant leur nergie chimique dans des composs labors par d'autres tres vivants, ont dvelopp une stratgie de relation active avec le milieu, caractrise par l'acquisition de systmes sensoriel, nerveux et locomoteur. Au contraire, les vgtaux utilisant l'nergie solaire, ont dvelopp une stratgie d'occupation de l'espace et d'indpendance nutritionnelle complte dont les corollaires sont la rigidit et la fixit (enracinement) ainsi que le dveloppement de leurs performances en biosynthse. Au niveau cellulaire, cette diffrence d'volution se marque par la prsence de structures typiques des vgtaux : ils montrent une paroi rigide importante et des vacuoles.

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2. LES MEMBRANES CELLULAIRES

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Toute cellule vivante est limite extrieurement par une membrane, la membrane plasmique (parfois appele plasmalemme). Elle est trop mince pour tre observe au microscope photonique mais son existence a d'abord t dduite de la ncessit de garder les conditions constantes dans la cellule, diffrentes des conditions extrieures. Elle est semi-permable, c'est--dire suffisamment impermable pour assurer cette constance mais en mme temps suffisamment permable pour permettre des changes choisis de nourriture et de dchets avec le milieu extrieur. La membrane plasmique est typiquement une membrane unitaire selon le modle de SINGER-NICHOLSON (1972).

Les membranes unitaires prsentent les caractristiques suivantes : 1) L'lment essentiel est une couche bimolculaire de lipides, principalement des phospholipides, opposs par leurs ples hydrophobes. Elle est pratiquement impermable toutes les grosses molcules polaires et toutes les molcules charges, spcialement aux ions (Na+, K+, H3O+,...). Elle est fluide, c'est--dire que les molcules de phospholipides y sont capables de mouvements latraux libres (rotation, translation, diffusion) trs rapides. Par contre, les mouvements d'une face l'autre sont rares. La composition chimique est variable d'une couche l'autre (asymtrie), d'une espce l'autre, et, l'intrieur d'une cellule, d'une membrane l'autre. Dans les cellules animales, des molcules de cholestrol s'insrent entre les phospholipides, leur groupement hydroxyle tant dirig vers l'extrieur. Le cholestrol reprsente environ 25% du poids de lipides des membranes animales. D'autres types de lipides sont galement prsents en quantits variables dans les membranes animales: les sphingolipides (sphingomyline), et diffrents types de glycolipides (crbrosides et gangliosides). 2) De nombreuses protines sont insres dans la bicouche lipidique et reprsentent la moiti du poids total de la membrane. Certaines protines sont simplement attache sur une face de