Biochimie: réactions cellulaires....Introductionetdéﬁnition Déﬁnitions Qu’estlavie? Systèmecapabled’autoreproductionetévolution. Lesbesoinsdel’évolution Reproductionimparfaite(Naissance)

Introduction et définition

Évolution et l’origine de la vie

C’est ou et quoi l’origine de la bio-chimie ?Comment cela peut nous renseigner sur nosorigines, notre place dans l’univers ?

J.N. Sturgis (AMU) ENSBI3U1L Septembre 2018 1 / 24


Quelques questions ?

La vie est elle apparue sur terre ou vient’elle de l’espace ?Est la vie, comme on le comprend, partout dans l’univers ou présentsur un ou deux minuscules planètes. ?Si il existe la vie ailleurs, à quel point est elle similaire/différente àcelle sur terre ?Est-il possible de construire une vie différente (avec quelles règles) ?Pourquoi la vie est elle comme çà ?Par exemple : utilisant ATP ; avec l’ADN à 4 bases ; avec despolypeptides. . .



Méthodologies

Il s’agit d’une véritable étude archéologique pour établir les evennementsqui se sont passé il-y-a 3 à 4 milliard d’années.

Études comparatives et inférence de l’évolution.

Études de chimie pour réitérer les évennements anciens.



Méthodologies

Il s’agit d’une véritable étude archéologique pour établir les evennementsqui se sont passé il-y-a 3 à 4 milliard d’années.

Études comparatives et inférence de l’évolution.Études de chimie pour réitérer les évennements anciens.



Définitions

Qu’est la vie ?Système capable d’autoreproduction et évolution.



Définitions


Les besoins de l’évolutionReproduction imparfaite (Naissance)HéréditéSélection (Mort)



Définitions


Les besoins de l’évolutionReproduction imparfaite (Naissance)HéréditéSélection (Mort)

Ce combinaison, qui n’est pas unique, fait que les virus biologiques etinformatiques ne sont pas vivants. Ils sont capable d’évolution :reproduction assisté par l’hôte mais pas autoreproduction ; Hérédité de leurpatrimoine génétique - code ; Sélection et mort dans des environnementshostiles.



Quelques presonalités

Aristote : vers -340, propose que l’aircontient une “force vitale” capabled’assurer la génération spontanée de lavie.

Pasteur : vers 1860, arrive finalement ademontré que il y a ni générationspontanée de la vie ni force vitale dansl’air.Oparin : vers 1920, propose unegénération spontanée de la vie sur terredans les océans primordiales.




Aristote : vers -340, propose que l’aircontient une “force vitale” capabled’assurer la génération spontanée de lavie.Pasteur : vers 1860, arrive finalement ademontré que il y a ni générationspontanée de la vie ni force vitale dansl’air.

Oparin : vers 1920, propose unegénération spontanée de la vie sur terredans les océans primordiales.




Aristote : vers -340, propose que l’aircontient une “force vitale” capabled’assurer la génération spontanée de lavie.Pasteur : vers 1860, arrive finalement ademontré que il y a ni générationspontanée de la vie ni force vitale dansl’air.Oparin : vers 1920, propose unegénération spontanée de la vie sur terredans les océans primordiales.


Une vision en arrière

LUCA : le dernier ancêtre commun du vivant

Il-y-à environ 3.5 milliard d’années...

Si on regarde vers le passé l’ultimeancêtre de tout le vivant aujoudhui.On peut constuire une arbre du vivantqui explique les rélations entre tout quiest vivant aujoud’hui.et arbre commence avec LUCA : ledernier ancêtre commun a tout levivant.

Es une organisme individuelle ou unecosystème, une méta-organisme ?



LUCA : le dernier ancêtre commun du vivant

Il-y-à environ 3.5 milliard d’années...

Si on regarde vers le passé l’ultimeancêtre de tout le vivant aujoudhui.On peut constuire une arbre du vivantqui explique les rélations entre tout quiest vivant aujoud’hui.et arbre commence avec LUCA : ledernier ancêtre commun a tout levivant.Es une organisme individuelle ou unecosystème, une méta-organisme ?



LUCA : Réactions cellulaires

Les aspets commun a tout le vivant - ou quand absent du a une perte.

Une cellule avec un membraneplasmique.De l’ADN comme matièregénétique.des ribosomes pour faire desprotéines,l’ARN polymerase pour fairel’ARN

l’ATP comme monnaieénergétique, et NADH commemonnaie de pouvoir réducteur.Les glucides de stéréochimie Dmais les acide-aminés L.une concentration intracellulairede K+ plus important que Na+.un métabolisme complexe avecle pluspart des grandes voiesmétabolique.






l’ATP comme monnaieénergétique, et NADH commemonnaie de pouvoir réducteur.

Les glucides de stéréochimie Dmais les acide-aminés L.une concentration intracellulairede K+ plus important que Na+.un métabolisme complexe avecle pluspart des grandes voiesmétabolique.






l’ATP comme monnaieénergétique, et NADH commemonnaie de pouvoir réducteur.Les glucides de stéréochimie Dmais les acide-aminés L.

une concentration intracellulairede K+ plus important que Na+.un métabolisme complexe avecle pluspart des grandes voiesmétabolique.






l’ATP comme monnaieénergétique, et NADH commemonnaie de pouvoir réducteur.Les glucides de stéréochimie Dmais les acide-aminés L.une concentration intracellulairede K+ plus important que Na+.

un métabolisme complexe avecle pluspart des grandes voiesmétabolique.






l’ATP comme monnaieénergétique, et NADH commemonnaie de pouvoir réducteur.Les glucides de stéréochimie Dmais les acide-aminés L.une concentration intracellulairede K+ plus important que Na+.un métabolisme complexe avecle pluspart des grandes voiesmétabolique.



Evolution du métabolisme

Des parties centrales dumétabolisme sont tres repandus.Certains molécules et voiesmétaboliques sont moderne,comme le chlorophyll et laphotosynthèse.Des lipides membranaires



Evolution des enzymes

Evolution des protéines fluorecentesPossible de reconstruire le sequence de mutations le plus probable.Peuvent ensuite fabriquer les protéines ancestraux et tester leursfonctions.J.N. Sturgis (AMU) ENSBI3U1L Septembre 2018 9 / 24


LUCA : sa niche écologique

Chemo-litho-auto-tropheFixation de CO2

Une environnement reducteur

Voie “Wood-Ljungdahl” de fixation de CO2 dans des conditions reducteur.



LUCA : sa niche écologique

Chemo-litho-auto-tropheFixation de CO2

Une environnement reducteur

Voie “Wood-Ljungdahl” de fixation de CO2 dans des conditions reducteur.LUCA n’etait pas l’unique organisme à cette epoch, mais la seule dont ona toujours des traces.



Avant LUCA

Il est possible également de regarder plus loin dans le passé ! ! PourquoiLUCA est spéciale, et tous les autres organismes de l’epoque sont ilséteint ?

l’ADN est une addition “récente” a la métabolismeSynthèse des desoxy-ribonucleotides a partir de ribo-nucléotides et pasrecyclage.ARN peut servir comme système génétique.Avant LUCA une organisme sans ADN mais avec une genome en ARN.



Avant LUCA : l’origine des Isomérases. BTS 6.1

Le repliement de TIM en (αβ)8 est partargépar plusieurs autres enzymes (10%)

Triose phosphate isomerase(G3P/DHAP)Phosphogluco Isomerase PGI(G6P/F6P)Enolase (2-PG/PEP)Aldolase (F16BP/DHAP+G3P)et 28 autres familes d’enzyme

Evolution de la famille des protéines (αβ)8 avant LUCA.




La famille (αβ)8 a beaucoup evoluée avantLUCA

Construction d’une arbre paralignement multipleAnalyse de l’aligment pour construireune arbre le plus vraisemblable del’evolution.Une grande diversification de fonctionavant LUCA

On peut avoir quelques idées sur l’évolution avant LUCA basées sur leprincipe générale de duplication et modification de spécificité.




La famille (αβ)8 a une symmetrieinterne

Duplication et fusion de (αβ)4au moins des enzymes de labiosynthèse de histidine (HisA etHisF)Avant ca (αβ)1 et (αβ)2 ?Au debut les “enzymes” trèssimples.Les residues des sites activesentre l’hélice α et le brin β.

On peut avoir quelques idées sur l’évolution avant LUCA basées sur leprincipe générale de duplication et modification de spécificité.



Avant LUCA

Les enzmyes plus petites etsimples, peut-etre moinsspecifiques.Des organismes cellulaires avecune membrane plasmique.Une génétique basée sur l’ARNcomme génome.Une rôle important pour lephosphate

Une concentration intracellulairede K+ plus grande que Na+

Des glucides de stereochimie -D-

Des acides aminées destéreochimie -L-

Probablement moins de 20acides aminées dans lesprotéines (W,M,Y,F,C).Des ribosomes et ARNt .

Des hypothèses avant avec une vie acellulaire et une catalyse minéralepour la oligomerisation des acides nucléiques et aminées.


Une vision d’avant

La chimie du terre primordiale.

Avec beaucoup d’activitévolcanique et techtoniqueUn atmosphere irrespirable, sansO2 mais avec CO CO2 NH4 etautres gazes toxiquesL’ocean qui s’evaporecompletement de temps entemps.Des orages enorme une soleilavec index UV ∼ 120

. . . des conditions extremes.



La composition de la soupe primordiale.Plusieurs biochimistes ont étudié lescomposants formés dans desconditions de la terre primordiale.

Compound YieldGlycine 63.

Glycolic acid 56.Sarcosine 5.Alanine 34.

Lactic acid 31.Aspartic acid .4Formic acid 233.

Reference

Organic compound synthesis on the Primivite Earth. MillerStanley L. and Urey Harold C. Science 1959 ; 130 :245-251

En parallel, les etudes de lacomposition de differentes objetsdans l’espace... les cometes, les lunesde jupiter etc. sont etudié pour voirles molecules possible dans l’oceanoriginale.Reference

Discovery of the interstellar chiral molecule propylene oxide(CH3CHCH2O) Brett A. McGuire, P. Brandon Carroll, Ryan A.Loomis, Ian A. Finneran, Philip R. Jewell, Anthony J. Remijan,Geoffrey A. Blake Science 2016 352 : 1449-1452



Un Métabolisme Prébiotique

Reference

Conditional iron and pH dependent activity of anon-enzymatic glycolisis and pentose phosphatepathway. Markus A. Keller, Andre Zylstra, CeciliaCastro, Alexandre A. Turchyn, Jullian L. Griffin,Marcus Rasler Science Adv. 2016 e1501235

Dans des conditions typiques seulequelques conversions se fassentPEP en Pyruvate (une perte d’énergie).Dans des conditions bien spécifiquesplusieurs interconversions se fontLe resultat est tres sensible a lapresence de Fer(II) et le pH.La structure du métabolisme controlépar la chimie abiotique.




Reference






Reference





Archael éprouvettes : les piliers du vivant.

MembraneMétabolismeMatière génétique




Membrane : pour separer les individus de la population.MétabolismeMatière génétique




MembraneMétabolisme : pour fabriquer les membranes et la matière génétique.Matière génétique




MembraneMétabolismeMatière génétique : pour assurer l’héritabilité du métabolisme.


Entre les deux

Une monde ARN?

Membrane : aujourd’hui ils sont des bicouches lipidiques - est uneautre solution antérieur envisageable ?Métabolisme : aujourd’hui c’est fait essentiellement par des protéines- est une autre solution antérieur envisageable ?Matière génétique : aujourd’hui c’est fait par l’ADN - est une autresolution antérieur envisageable ?

Une possibilité antérieur est que l’ARN remplis le rôle de stockaged’information et de catalyseur du métabolisme. Sortir du Dogma Centralde Francis Crick

ADN → ARNm → Protéine


Entre les deux

Une monde ARN?

Membrane : aujourd’hui ils sont des bicouches lipidiques - est uneautre solution antérieur envisageable ?Métabolisme : aujourd’hui c’est fait essentiellement par des protéines- est une autre solution antérieur envisageable ?Matière génétique : aujourd’hui c’est fait par l’ADN - est une autresolution antérieur envisageable ?

Une possibilité antérieur est que l’ARN remplis le rôle de stockaged’information et de catalyseur du métabolisme. Sortir du Dogma Centralde Francis Crick

ADN → ARNm → Protéine → ADN, ARNm et membranes


Entre les deux

Une monde ARN : les ribozymes

Les ARN peuvent stocker del’information :Les virus a ARN l’utilise.Les ARN sont capables de fairede la chimie.Le ribosome est essentiellementde l’ARN, et la catalyse est faitpar l’ARN.


Entre les deux

Une monde ARN : l’importance métabolique desribo-nucléotides et des bases

Les nucleotisdes et nucleosides sont tresimportant dans le métabolisme descellules :ATP, NADH etc. peut-etre certain deces rôles sont possible dans une “ARN”un peu modifié.Certains réactions métaboliques dépendtoujours des cofacteurs que resembledes bases azotés des acides nucléiques :Pyridoxal, Thiamine, Flavine, SAM . . .


Entre les deux

Une monde ARN : l’importance métabolique desribo-nucléotides et des bases

Les nucleotisdes et nucleosides sont tresimportant dans le métabolisme descellules :ATP, NADH etc. peut-etre certain deces rôles sont possible dans une “ARN”un peu modifié.Certains réactions métaboliques dépendtoujours des cofacteurs que resembledes bases azotés des acides nucléiques :Pyridoxal, Thiamine, Flavine, SAM . . .


Entre les deux

Une monde ARN : Une métabolisme minimaliste

Des cellules sans membrane, peut-etre des “cellules” mineralUn métabolism heterotrophe fait par l’ARN que auto-reproduise

Pas universellement accépté, car l’origine ni de la “nouriture” ni del’énergie nécessaire sont expliquer.


Entre les deux

Conclusions : évolution et l’origine de la vie.

Les analyses et expériences pour comprendre la composition et lefoncitonnement de LUCA, et les ancêtres de LUCA. Quelles acidesaminés et specificité de la première TIM?Les expériences de chimie prébiotique pour mieux comprendre lesconditions sur terre et la composition de la soupe primordiale.Pourqoui des glucides “D” et le K+ ?Des expériences pour chercher des systèmes plus simple (comme lemonde des ARN) qui sont fonctionnels dans des conditionsprebiotiques.


Documents

Biochimie: réactions cellulaires....Introductionetdéﬁnition Déﬁnitions Qu’estlavie? Systèmecapabled’autoreproductionetévolution. Lesbesoinsdel’évolution Reproductionimparfaite(Naissance)