COURS de Biologie Fondamentale

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COURS de Biologie Fondamentale

Stéphanie LUCAS

stephanie.lucas@univ-littoral.fr

IFSI 2009-2010

19 heures

22

3

1- Des molécules aux organismes vivantsStéphanie LUCAS

2- Structures cellulairesStéphanie LUCAS

3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulaires

Stéphanie LUCAS

4- Communications intercellulairesStéphanie LUCAS

5- Cellules musculaires et nerveusesDamien LETERME

4

1- Des molécules aux organismes vivantsAtomes, ions, moléculesL’eau et le pH des solutions aqueusesLes composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides,

protéines)Des molécules aux organismes vivants

2- Structures cellulairesLa membrane cellulaireLe noyauLe cytoplasmeLes mitochondriesLes membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi,

lysosomes)Le cytosquelette

3- Cycle cellulaire/différenciation et mort cellulairesCellules souches (embryonnaires et adultes)Division cellulaireDifférenciation cellulaireMort cellulaire (apoptose/nécrose)

4- Communications intercellulairesTypes de communicationsLes molécules des communications

Les récepteurs cellulairesLes réponses cellulaires

5- Cellules musculaires et nerveusesPotentiel de repos Potentiel d'action, codage de l'information Transmission synaptique Contraction musculaire

5

LES DIFFERENTS NIVEAUX DE STRUCTURE DU CORPS

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1- Des molécules aux organismes vivantsAtomes, ions, moléculesL’eau et le pH des solutions aqueusesLes composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides,

protéines)Des molécules aux organismes vivants

26 éléments sont présents dans le corps humain

4 éléments constituent 96% de la masse corporelle

7

Atomes, ions, molécules

8

26 sont présents dans le corps humain

4 constituent 96% de la masse corporelle

Atomes, ions, molécules

7 éléments autres 4% restants

9

26 sont présents dans le corps humain

4 constituent 96% de la masse corporelle

7 autres 4% restants

Oligoéléments moins de 0.2%

Atomes, ions, molécules

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Eléments constitués d’atomes, désignés par 1 ou 2 lettres (H, C, Ca…)

Dans un atome, autant d’e- que de protons charge nulle

Atomes constitués de noyaux autour desquels gravitent des électrons.

Atomes, ions, molécules

Ex: calcium Ca2+, car il a perdu 2 e-

Ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Il est chargé positivement ou négativement.

11

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

Atomes, ions, molécules

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Liaisons covalentes : les atomes partagent des électrons

Liaisons covalentes simples : les atomes partagent une paire d’électrons (C-C)

Liaisons covalentes doubles : les atomes partagent 2 paires d’électrons (C=C)

Liaisons covalentes triples : les atomes partagent 3 paires d’électrons (C≡C)

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

Atomes, ions, molécules

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Sodium Na+

Chlore Cl-

Chlorure de sodium NaCl

Atomes, ions, molécules

Liaisons ioniques : les atomes ou molécules avec des charges opposées s’associent

des ions

un sel

cation

anion

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Liaisons hydrogène :

les hydrogènes liés à des atomes d’oxygène dans les molécules sont plutôt +

Ils peuvent notamment interagir avec des oxygènes qui sont plutôt chargés -

Liaisons hydrogène sont responsables :

- de l’état liquide de l’eau sur terre- de la forme en double hélice de l’ADN- de la forme des protéines

Atomes, ions, molécules

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Le ionogramme est un examen qui analyse la concentration en ions d’un liquide organique (sang, urines, liquide céphalo-rachidien).

pour dépister les troubles ioniques qui surviennent dans les maladies rénales, hormonales, les troubles de l'hydratation, les troubles gastro-intestinaux (diarrhée, vomissements)...

les anions (négatifs) tels que :le chlorure Cl-

les bicarbonates HCO3

-

les phosphates HPO42

-

les sulfates SO42-

les cations (positifs) tels que :le sodium Na+

le potassium K+

le calcium Ca2+

le magnésium Mg2+

Lien avec la clinique

Atomes, ions, molécules

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Récapitulatif :

4 éléments ou atomes 96% masse corporelle : O, C, H et N(eau et composés organiques)

Molécules : associations d’atomes par des liaisons

Liaisons covalentes : atomes partagent des électrons (H2O)

Liaisons ioniques : des atomes chargés se « rapprochent » (NaCl)

Liaisons hydrogènes : un hydrogène se rapproche d’un oxygène

7 éléments 4% masse corporelle

oligoéléments moins de 0.2% masse corporelle

Atomes, ions, molécules

1- Des molécules aux organismes vivantsAtomes, ions, moléculesL’eau et le pH des solutions aqueusesLes composés organiques (lipides, glucides, acides nucléiques,

protéines)Des molécules aux organismes vivants

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18

55 à 60% de la masse corporelle d’un adulte

intérieur des cellulesmilieu extracellulaireliquides corporels (sang, lymphe…)

- véhicule de nombreuses molécules dissoutes

- participe à un grand nombre de réactions chimiques

- absorbe et libère la chaleur très lentement : homéostasie thermique

L’eau

Milieux aqueux

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De nombreux composés inorganiques et organiques sont dissouts dans l’eau

Les acides libèrent des ions H+ (protons, oxonium) dans l’eau ; les bases des ions OH- (hydroxydes) dans l’eau.

Plusieurs sont des acides ou des bases.

Les notions d’acide et base

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Une solution est dite acide si elle contient plus d’ions H + que d’ions OH – : [H+] > [OH-]

Une solution est dite basique (ou alcaline) si elle contient plus d’ions OH - que d’ions H + : [OH-]>[H+]

L’acidité ou l’alcalinité s’exprime par le pH (potentiel Hydrogène), qui va de 0 à 14.

pH = - log [H+]

L’eau et le pH des solutions aqueuses

Une solution est dite neutre si elle contient autant d’ions OH - que d’ions H + : [OH-]=[H+]

2121

L’acidité ou l’alcalinité s’exprime par le pH (potentiel Hydrogène), qui va de 0 à 14

pH = - log [H+]

L’eau et le pH des solutions aqueuses

Exemples:pH d’une solution avec [H+]=0,0001 moles/L = 10-4 moles/L ?

Concentration en [H+] d’une solution à pH 3 ? [H+] = 10-3 moles/l =0,001 moles/L

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Cellules 7.2 – 7.4

Substances présentes dans le corps humain

L’eau et le pH des solutions aqueuses

23

Limites de pH sanguin physiologiques: 7,35 à 7,45

[H+] = 4,47 10-8 à 3,54 x 10-8 mol/l

Lien avec la clinique

3) La respiration : élément important du contrôle de l'équilibre acide/base du sang

L’eau et le pH des solutions aqueuses

Si alcalose: H2CO3 H+ + HCO3-

Si acidose: H+ + HCO3- H2CO3 H2O + CO2

ACIDE CARBONIQUE

DIOXYDE DE CARBONE EAU

ION OXONIUM

ION BICARBONATE

Plusieurs mécanismes permettent de maintenir le sang dans ces limites de pH:

1) des mécanismes permettant une élimination des protons et des acides produits (essentiellement assurée par les systèmes rénaux. Ex: l’urine)

2) des systèmes tampons efficaces : Ex: le système acide carbonique-bicarbonate

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L’eau et le pH des solutions aqueuses

Lien avec la cliniqueDeux grandes origines possibles :

les acidoses et alcaloses gazeuses &les acidoses et alcaloses métaboliques.

diagnostic

Dosage des gaz du sang dans un prélèvement de sang (artériel ou veineux):

En même temps qu'on mesure la pression partielle exercée par l'O2 (PaO2) et le CO2 (PaCO2) dissout dans le sang on mesure aussi l'acidité (pH), la concentration en ions bicarbonate ([HCO3-])

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Les gaz du sang peuvent être dosés dans un prélèvement de sang (artériel ou veineux):Le prélèvement doit être disposé dans de la glace pour éviter la consommation de l'oxygène par les globules rouges et être adressé rapidement au laboratoire d'analyse.

En même temps qu'on mesure la pression partielle exercée par l'O2 (PaO2) et le CO2 (PaCO2) dissout dans le sang on mesure aussi l'acidité (pH), la concentration en ions bicarbonate ([HCO3-])

Lien avec la clinique

Il faut distinguer dans ce cadre les acidoses et alcaloses gazeuses des acidoses et alcaloses métaboliques.

Les premières sont en rapport avec les variations primitives de PCO2 que peuvent induire les modifications de l'activité respiratoire. Les secondes sont, elles, en rapport avec des variations de concentrations en ions H+ et/ou HCO3-

Peut aussi en être un élément perturbateur.

Hyperventilation : de PCO2 et donc de pH sanguin: une alcalose. Hypoventilation : de PCO2 et donc une acidose.

Respiration : élément important du contrôle de l'équilibre acide/base du sang

L’eau et le pH des solutions aqueuses

26

L’eau et le pH des solutions aqueuses

Lien avec la clinique

27

Récapitulatif :

L’eau représente 55 à 60% de la masse corporelle d’un adulte

- véhicule de nombreuses molécules dissoutes- participe à un grand nombre de réactions chimiques- absorbe et libère la chaleur très lentement : homéostasie thermique

Les acides libèrent des ions H+ dans l’eau ; les bases des ions OH-

Notion de pH

L’eau et le pH des solutions aqueuses

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1- Des molécules aux organismes vivantsAtomes, ions, moléculesL’eau et les composés inorganiquesLes composés organiques (lipides, glucides, les nucléotides,

protéines)Des molécules aux organismes vivants

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Les composés organiques

Composé organique : contient au moins un carbone lié à un hydrogène

Les glucides

Les lipides

Les protéines

Les nucléotides : l’ATP et les acides nucléiques : ADN et ARN

30

18 à 25 % de la masse corporelle totale

Carbone et hydrogène, peu d’oxygène : les lipides ne sont pas solubles dans l’eau, ils sont hydrophobes.

Les composés organiques – Les lipides

Triglycérides: les + abondants dans les aliments et dans l’organisme

Surtout dans le tissu adipeux = réserve énergétique des acides grasÉgalement dans le sang (lipoprotéines) = forme de transport des acides gras.

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AG saturés (saturés d’hydrogènes) : viandes rouges, lait entier, fromage, beurre

AG monoinsaturés : huile olive, huile arachide, noix, avocats

AG polyinsaturés : huile de maïs, tournesol, poissons gras

AG essentiels : omega-3 (huiles de poissons et de noix)omega-6 (produits transformés céréales pains)

Les composés organiques – Les lipides

Acides gras:

Sont dégradés par les cellules pour obtenir de l’énergie (dans la mitochondrie).

AGPI omega-6 (6) Acide linoléique

AGPI omega-3 (3) Acide -linolénique

Formation d’acide arachidonique,

Synthèse de prostaglandines

Rôle dans le fonctionnement cérébral et visuel; synthèse de précurseurs anti-inflammatoires

32

Les membranes cellulaires (membrane plasmique, membrane des organites) sont composées de phospholipides.

Les composés organiques – Les lipides

Les phospholipides

Glycérol

2 AG

Phosphate

.

Sont amphiphiles:

Une tête phosphate hydrophile

Deux queues lipidiques hydrophobes

33

L’assemblage des membranes cellulaires se fait de façon autonome.

Lipides Lipides + phospholipides Phospholipides

Les composés organiques – Les lipides

34

Les composés organiques – Les lipides

Les stéroïdes

Cholestérol

Le cholestérol entre aussi dans la composition des membranes cellulaires,

sert à la synthèse des hormones stéroïdiennes,et des sels biliaires.

35

2 à 3 % de la masse corporelle totale

Saccharides, Saccharum : sucre

Les composés organiques – Les glucides

principale fonction : source d’énergie rapidement disponible pour les cellules (glucose).

Principalement carbone, hydrogène et oxygène, molécules cycliques

glucose : C6H12O6

Sucre simple : monosaccharide, un « ose »: hexose, pentose…

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Disaccharides : formés de deux monosaccharides

lactose (sucre du lait)

galactose et glucose

saccharose (ou sucrose, sucre commercial)

glucose et fructose

Les composés organiques – Les glucides

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Formés de dizaines voire centaines de molécules de glucose.

glycogène (réserve de glucose dans le foie et les muscles)

amidon (glucide des pates, pommes de terre)

cellulose (glucide des végétaux, non digeste: fibres alimentaires)

Polysaccharides : sucres complexes

Les composés organiques – Les glucides

38

Les composés organiques – Les nucléotides

sucreBase

azotée

Phosphate

ATP adénosine triphosphate

ribose adénine

phosphate

phosphate

phosphate

Fournit aux cellules l’énergie nécessaire

aux réactions chimiques.

ADN acide

désoxyribonucléique

ARN acide ribonucléique

Les acides nucléiques

2 chaînes de nucléotides

contient l’information génétique

1 chaîne nucléotides

synthèse des protéines

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Acide DésoxyriboNucléique (ADN) : support de l’information génétique

désoxyribose

Les composés organiques – Les acides nucléiques

désoxyriboseBase

azotée

Phosphate

Des chaînes de désoxyribose s’associent avec 4 bases pour former l’ADN

Adénine Thymine

Guanine Cytosine

Les acides nucléiques

40

Les désoxyriboses se lient via des groupes phosphates (PO4).

Les composés organiques – Les acides nucléiques

Les acides nucléiques: l’ADN

41

Les chaînes s’assemblent par des interactions A---T et C---G (liaisons hydrogène).Les associations entre A et T ou C et G sont exclusives.

ADN : 3 milliards de nucléotides

Enchaînement : information génétique

Les composés organiques – Les acides nucléiques

Les acides nucléiques: l’ADN

42

L’ADN est composée d’une double hélice.

Les composés organiques – Les acides nucléiques

Les acides nucléiques: l’ADN

43

Adénine Guanine

CytosineUracile

(à la place de la thymine)

Des chaînes de ribose s’associent avec 4 bases pour former les ARN.

Les composés organiques – Les acides nucléiques

Les acides nucléiques:

Acides RiboNucléiques (ARN) : messagers de l’information génétique

riboseBase

azotée

Phosphate

44

Contrairement à l’ADN, les ARN sont des molécules

à un seul brin.

Les ARN sont plus courts que l’ADN

quelques centaines ou milliers de nucléotides.

Les composés organiques – Les acides nucléiques

Les acides nucléiques: l’ARN

45

Les ARN résultent de la transcription des parties codantes (gènes) de l’ADN.

Transcription

Gène 1 Gène 2 Gène 3

ARN 1 ARN 2 ARN 3

ADN codant 1.5% de l’ADN

Les acides nucléiques: de l’ADN à l’ARN

Les composés organiques – Les acides nucléiques

46

Lors de la transcription,

la séquence des nucléotides est conservée

ADN A C G T

ARN A C G U

Les ARN formés vont guider la synthèse de protéines :

ARN messagers (ARNm)

Les composés organiques – Les acides nucléiques

47

1 gène :

un promoteur (séquence spécifique de fixation d’une enzyme polymérase)

Un site de terminaison(séquence où l’enzyme se décroche de l’ADN)

L’enzyme polymérase :

Fabrique des ARN à partir de l’ADN

Les acides nucléiques: de l’ADN à l’ARN

Les composés organiques – Les acides nucléiques

Groupement acide

48

12 à 18 % de la masse corporelle totale

Carbone, oxygène, azote, hydrogène, et un peu de soufre

Les composés organiques – Les protéines

constituées d’enchainements d’acides aminés (plusieurs dizaines ou centaines).

Groupement amine

Chaîne latérale

acid

e am

iné

49

Les composés organiques – Les protéines

20 chaînes latérales possibles =

20 Acides Aminés (AA) différents

8 AA essentiels = Leucine, Isoleucine, Phénylalanine,

Thréonine, Tryptophane, Valine, Méthionine, Lysine.

50

+

Liaison peptidique

Peptide : petite protéine de moins de 50-100 AA

Protéine : enchaînement de plus de 50-100 AA

Les composés organiques – Les protéines

Les AA s’associent par une liaison peptidique pour former…

51

- Responsables de la grande majorité des fonctions dans la cellule et l’organisme :

Enzymes : catalysent les réactions chimiques (de la digestion…)

Hormones et autres messagers : communications entre les cellules (insuline…) mais aussi récepteurs aux hormones …

Protéines de transport (hémoglobine….)

Anticorps : défense immunitaire

Les composés organiques – Les protéines

Rôles essentiels des protéines

-rôle structural pour les cellules ( actine…) et les tissus (collagène, kératine...)

52

Les enzymes catalysent les réactions chimiques

- Accélèrent des réactions lentes

- Permettent de nouvelles réactions

Les enzymes ne sont pas modifiées lors des réactions qu’elles catalysent.

Exemple :

saccharose glucose + fructose

Les composés organiques – Les protéines

Les enzymes permettent:

-des réactions de dégradation de substances qui permettent d’apporter de l’énergie = CATABOLISME

-des réactions de synthèse de nouvelles substances qui consomment de l’énergie= ANABOLISME

53

Transcription

Gène 1 Gène 2 Gène 3

ARN 1 ARN 2 ARN 3

Traduction

Protéine 1 Protéine 2 Protéine 3

ADN

ARN

protéines

Patrimoine génétique

Fonctions et structures

Les composés organiques – Les protéines

Les protéines résultent de la traduction des ARN messagers.

ADN A C G T

ARN A C G U

Code génétique1 codon = 1AA

54

La fabrication des protéines (la traduction),

c’est-à-dire, l’enchaînement des 20 AA dépend directement

de l’enchaînement des 4 nucléotides dans l’ARN

Les composés organiques – Les protéines

protéines Thréonine

55

Gène 1 Gène 2 Gène 3ADN

ARN

protéines

Patrimoine génétique

Fonctions et structures

Séquence des gènes peu variable d’un individu à un autre;

notion d’allèle

Empruntes génétiques : ADN entre les gènes

(spécifique à chaque individu)

Les composés organiques – De l’ADN aux protéines

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Récapitulatif :

Les glucides : C, O et Hpetites molécules cycliques (monosaccharides)très volumineuses molécules (polysaccharides)source d’énergie rapidement disponible

Les lipides : longues chaînes de carbones, hydrophobessource énergétique importanteconstituants des membranes des cellules

Les protéines : constituées d’acides aminés (20 ) dont l’enchaînement dépend de la séquence des ARN et donc de l’ADNresponsables des structures et fonctions.

ADN et ARN : chaînes de (désoxy)riboses liés à 4 basesADN renferme l’information génétique et sert à fabriquer lesARN messagers qui servent à fabriquer les protéines

Les composés organiques – Récapitulatif

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1- Des molécules aux organismes vivantsAtomes, ions, moléculesL’eau et les composés inorganiquesLes composés organiques (lipides, glucides, acides nucléiques,

protéines)Des molécules aux organismes vivants

Des molécules aux organismes vivants

Des molécules aux organismes vivants

Est vivant :

tout système délimité par une membrane semi-perméable de sa propre fabrication

capable de s'auto-entretenir

capable de se reproduire en fabriquant ses propres constituants.

La cellule est l’unité fondamentale de la vie.

Pour les organismes multicellulaires, la cellule est l’unité structurale et fonctionnelle.

60

Des molécules aux organismes vivants

Apparition de la vie 3,5 à 3,8 milliards d'années

La terre a environ 5 milliards d’années

LUCA

Bactéries

Archéobactéries

Eucaryotes

plantes champignonsanimaux

Des molécules aux organismes vivants

Les bactéries sont des cellules procaryotes = sans noyau.

taille moyenne 1-5 µm

organismes unicellulaires

Des molécules aux organismes vivants

Les virus sont des fragments d’acides nucléiques (ARN ou ADN) protégés par des protéines et/ou des lipides.Ils parasitent les cellules pour se multiplier.

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

Les virus ne sont pas considérés comme organismes vivants .

63

Des molécules aux organismes vivants

63

Les cellules eucaryotes possèdent un noyau.unicellulaire ou pluricellulaire les cellules végétales, animales et les champignons.

Cellules humaines : taille moyenne 50 µm = 0.050 mm

Une cellule eucaryote et ses organites

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2- Structures cellulairesLa membrane cellulaireLe noyau, l’ADN et la transcriptionLe cytoplasme et la traductionLes membranes intracellulaires (réticulum, appareil de Golgi,

lysosomes)Les mitochondriesLe cytosquelette

Au prochain cours