Fiche de révision : Biologie cellulaire et membranes

Plan du Cours

  1. Membrane, compartimentation et organisation du génome cellulaire
  2. Rôles du cytosquelette
  3. Échanges et exemples cellulaires
  4. Organisation des organismes
  5. Composition et dynamique membranaires
  6. Tissus animaux, matrice extracellulaire et jonctions
  7. Paroi végétale et communications
  8. Principes des échanges membranaires
  9. Potentiels membranaires et transport vésiculaire
  10. Cycles du phage lambda
  11. Virus de la mosaïque du tabac
  12. Cycle du VIH
  13. Coronavirus SARS-CoV-2
  14. Réplication de l’ADN, mutations et fidélité
  15. Mitose et cycle cellulaire
  16. Transcription chez les Eucaryotes
  17. Régulation transcriptionnelle procaryote et eucaryote
  18. Interférence par les ARN
  19. Traduction et maturation des protéines
  20. Diversification par méiose et sexualité
  21. Transferts horizontaux de gènes
  22. Diversification par mutations

1. Membrane, compartimentation et organisation du génome cellulaire

★ À maîtriser

  • La membrane plasmique délimite chaque cellule et constitue une barrière sélective permettant le passage de l’oxygène, des nutriments et des déchets nécessaires à son fonctionnement.

  • Le réseau d’endomembranes eucaryote comprend :

    • l’enveloppe nucléaire
    • le réticulum endoplasmique
    • l’appareil de Golgi
    • les lysosomes
    • des vésicules
    • des vacuoles
  • Chez les procaryotes, le matériel génétique est concentré dans un nucléoïde sans membrane qui le sépare du cytosol, tandis que les eucaryotes possèdent un noyau et du matériel génétique dans des organites semi-autonomes.

📌 Dans un noyau qui ne se divise pas, l’euchromatine est décondensée, tandis que l’hétérochromatine est plus condensée et inaccessible à la transcription.

  • Chez les procaryotes, les chaînes respiratoire et photosynthétique sont localisées dans la membrane plasmique, tandis que la majeure partie des autres activités cellulaires se déroule dans le cytosol.
  • Dans l’expérience de Palade, les protéines marquées pendant un pulse de leucine radioactive se déplacent du réticulum endoplasmique granuleux vers l’appareil de Golgi, puis vers les grains de zymogène. - Georges Palade, 1974

Compléments

  • Les trois catégories de matrices extracellulaires sont :

    • la paroi bactérienne
    • la paroi végétale
    • la matrice extracellulaire animale
  • Les membranes du réseau intracellulaire sont reliées soit par continuité, comme l’enveloppe nucléaire et le réticulum endoplasmique granuleux, soit par échange de portions membranaires via des vésicules, comme entre le réticulum endoplasmique et les dictyosomes.

  • Une cellule eucaryote possède habituellement un noyau, mais les globules rouges n’en ont pas, les hépatocytes en ont souvent deux et les cellules musculaires striées squelettiques en possèdent plusieurs.

  • Le noyau eucaryote a un diamètre moyen de 5 micromètres et est entouré d’une enveloppe à double membrane percée de pores qui régulent les échanges moléculaires.

  • La lamina nucléaire, réseau de cytosquelette tapissant la face interne de l’enveloppe nucléaire, soutient celle-ci et contribue à donner sa forme au noyau.

  • Le nucléole, visible hors des périodes de division cellulaire, est le site de synthèse des ARNr et d’assemblage des sous-unités ribosomales.

  • Chez les bactéries, transcription et traduction peuvent se dérouler simultanément dans le cytoplasme, alors que ces processus sont spatialement séparés chez les eucaryotes.

  • Le trajet de sécrétion étudié par Palade est valable pour les cellules sécrétrices et dure environ 2 heures d’un pôle à l’autre. - Georges Palade, 1974

  • Le réticulum endoplasmique et l’appareil de Golgi participent à la synthèse des protéines, les mitochondries et les chloroplastes convertissent l’énergie, et les lysosomes et les peroxysomes assurent la maintenance cellulaire.

2. Rôles du cytosquelette

Notions clés & Définitions

  • Cytosquelette : Réseau de protéines situé dans le cytosol qui détermine la forme et la rigidité de la cellule, permet la mobilité des cellules et des organites et participe au mouvement des chromosomes pendant la division.

★ À maîtriser

  • Les microtubules sont des tubes de 24 nm de diamètre formés par l’assemblage de tubulines α et β et peuvent s’allonger ou se raccourcir à leurs extrémités.

  • Les microfilaments d’actine, d’un diamètre de 7 nm, se concentrent souvent sous la membrane plasmique pour former le cortex cellulaire et peuvent contribuer aux microvillosités, à la contraction musculaire, au déplacement cellulaire et à l’anneau contractile de division.

Compléments

  • Dans les cellules animales, les microtubules rayonnent depuis un centrosome et peuvent servir de pistes aux protéines motrices qui déplacent des vésicules.

  • Les filaments intermédiaires, d’un diamètre de 10 nm, contribuent à la rigidité et à la forme cellulaires; la kératine épithéliale forme notamment un réseau relié à la membrane au niveau des desmosomes et des hémidesmosomes.

  • Pendant la mitose, la phosphorylation des lamines désagrège la lamina nucléaire, ce qui permet l’entrée des microtubules et la capture des chromosomes.

  • Chez les bactéries, des protéines homologues à l’actine et à la tubuline interviennent dans la division cellulaire, la morphologie bactérienne et la ségrégation de l’ADN plasmidique.

3. Échanges et exemples cellulaires

★ À maîtriser

  • Les cellules échangent avec leur environnement par des flux de matière, d’énergie et d’information.

  • Les entérocytes transfèrent les nutriments, les électrolytes et l’eau de la lumière intestinale vers le milieu intérieur.

  • Les entérocytes sont des cellules cylindriques d’environ 30 μm de haut, polarisées avec un pôle apical muni de microvillosités et un pôle basal en contact avec la lame basale.

  • La cellule du parenchyme palissadique est autotrophe au carbone par photolithotrophie, stocke de l’amidon dans les chloroplastes le jour et exporte les sucres synthétisés la nuit.

Compléments

  • La cellule acineuse du pancréas reçoit notamment des acides aminés et des glucides par le sang et excrète des enzymes digestives dans la lumière de l’acinus par exocytose.

  • Escherichia coli est une bactérie commensale de l’intestin, gram-négative, mesurant environ 2–3 μm de long sur 1 μm de large.

  • Chez Escherichia coli, l’ADN est circulaire et associé à des protéines non-histones dans le chromosome bactérien; des plasmides, molécules circulaires plus petites, peuvent aussi être présents.

  • Les bactéries se déplacent par chimiotactisme positif ou négatif au moyen d’un flagelle fonctionnant grâce à un gradient de protons.

  • Saccharomyces cerevisiae est une levure unicellulaire d’environ 10 μm, chimio-organotrophe, dotée d’un noyau et d’un système endomembranaire.

  • Saccharomyces cerevisiae possède un ADN linéaire réparti en plusieurs chromosomes et réalise la respiration ou la fermentation selon les conditions du milieu.

  • Les entérocytes sont reliés par des jonctions qui contribuent à l’imperméabilité de l’épithélium et à la cohésion mécanique du tissu.

  • La cellule du parenchyme palissadique possède une grande vacuole, des chloroplastes et une paroi pectocellulosique et mesure environ 250 μm.

4. Organisation des organismes

Notions clés & Définitions

  • Tissu : Ensemble de cellules différenciées formant une association spatiale, fonctionnelle et biologique; il est constitué de cellules et de matrice extracellulaire.

★ À maîtriser

  • Les niveaux d’organisation structurale du vivant sont :
    • les molécules
    • les cellules
    • les tissus
    • les organes
    • les systèmes et appareils
    • les organismes

Compléments

  • Un organe regroupe plusieurs tissus; l’intestin comprend notamment des tissus épithélial, conjonctif, musculaire et nerveux.

  • Un appareil regroupe des organes qui travaillent ensemble pour réaliser une fonction, comme les organes de l’appareil digestif pour la digestion.

  • À chaque niveau d’organisation du vivant apparaissent de nouvelles propriétés.

Astuce mémo

Molécule → cellule → tissu → organe → appareil → organisme.

5. Composition et dynamique membranaires

★ À maîtriser

  • Les membranes cellulaires sont des associations non covalentes de protéines et de lipides assemblés en bicouches asymétriques, dont l’épaisseur est d’environ 7 nanomètres.

  • Les lipides membranaires assurent un support structural et une barrière d’imperméabilité grâce à leurs propriétés hydrophobes, tandis que les protéines membranaires assurent presque toutes les fonctions de la membrane.

📌 Les protéines membranaires sont transmembranaires lorsqu’elles traversent la membrane par des hélices alpha ou un tonneau de feuillets bêta, ancrées aux lipides lorsqu’elles sont liées covalemment à des lipides, et extrinsèques lorsqu’elles sont associées par des liaisons faibles.

  • La phosphatidyléthanolamine et la phosphatidylsérine se trouvent dans le feuillet interne, tandis que la phosphatidylcholine et les glycolipides se trouvent dans le feuillet externe.

  • L’expérience de FRAP montre que les protéines membranaires diffusent globalement, mais que la restauration de fluorescence varie de 40 à 100 % selon la zone, car certaines protéines ont des mouvements restreints par des interactions cellulaires.

📌 Une augmentation de l’insaturation des acides gras augmente la fluidité membranaire, tandis qu’un allongement de leurs chaînes la diminue.

📌 Le cholestérol augmente la viscosité d’une membrane dont les lipides sont plutôt insaturés, mais rend plus fluide une membrane dont les lipides sont plutôt saturés.

Compléments

  • Les catégories de lipides membranaires comprennent :

    • les glycérophospholipides
    • les glycolipides
    • le cholestérol
  • Les glucides représentent 2 à 10 % du poids de la membrane plasmique; plus de 90 % sont sous forme de glycoprotéines et les autres sont associés à des lipides sous forme de glycolipides.

  • Les glucides de la membrane plasmique sont exposés du côté extracellulaire.

  • Les radeaux lipidiques sont des microdomaines riches en cholestérol et glycolipides qui concentrent aussi des protéines ancrées aux lipides et des protéines transmembranaires, notamment des récepteurs.

  • Les lipides membranaires diffusent latéralement en environ 10⁻⁶ seconde, tournent en environ 10⁻⁹ seconde et effectuent rarement un retournement, qui prend environ 10⁵ secondes.

  • L’expérience de fusion membranaire montre qu’après environ 30 minutes à 37 °C, les protéines marquées de deux cellules fusionnées se dispersent dans l’hétérocaryon.

  • Le modèle de la mosaïque fluide décrit les membranes comme des structures dynamiques composées de molécules diverses en mouvement.

Astuce mémo

Les lipides diffusent latéralement facilement, tandis que le flip-flop est rare.

6. Tissus animaux, matrice extracellulaire et jonctions

Notions clés & Définitions

  • Collagène : Longue glycoprotéine fibreuse présente dans la matrice extracellulaire animale.

★ À maîtriser

📌 Un tissu épithélial est formé d’une ou plusieurs assises de cellules jointives reposant sur une lame basale, tandis qu’un tissu conjonctif contient des cellules isolées dans une matrice extracellulaire abondante.

  • La matrice extracellulaire animale comprend :

    • du collagène
    • des protéoglycanes
    • de l’élastine
    • de la fibronectine
    • de la laminine
  • La fibronectine et la laminine peuvent se lier à des constituants de la matrice extracellulaire et à des éléments de la membrane plasmique, tels que les intégrines transmembranaires.

📌 Les interactions cellule-matrice peuvent être labiles, comme les liaisons intégrine-fibronectine ou intégrine-laminine, ou stables, comme les hémidesmosomes reliant la membrane plasmique à la lame basale.

  • Les jonctions étanches apicales, ou zonula occludens, sont formées de claudines et d’occludines disposées en cordons parallèles autour de la cellule.

📌 Les jonctions étanches empêchent le passage de l’eau et des solutés entre cellules adjacentes et limitent le déplacement des protéines transmembranaires, maintenant la polarité épithéliale.

  • Les jonctions d’ancrage comprennent les zonula adherens, ceintures de cadhérines dépendantes du calcium reliées aux microfilaments, et les desmosomes, points d’ancrage de cadhérines d’environ 1 micromètre de diamètre reliés aux filaments intermédiaires.

  • Dans une jonction gap, six connexines forment un connexon, et deux connexons face à face constituent un canal permettant la diffusion de molécules de poids moléculaire inférieur ou égal à un millier de daltons entre cellules adjacentes.

Compléments

  • Le tissu conjonctif représente 15 à 20 % du volume de l’organisme.

  • Les matrices extracellulaires forment une interface fonctionnelle entre la cellule et son milieu et présentent une organisation et une composition variables selon les organismes et les tissus.

  • Le collagène est une longue glycoprotéine fibreuse, tandis que les protéoglycanes forment un gel hydraté poreux.

  • L’élastine forme un réseau de fibres élastiques dans la matrice extracellulaire.

  • L’imprégnation de substances minérales peut rigidifier la matrice extracellulaire animale et former les os.

  • Les hémidesmosomes des tissus épithéliaux sont reliés aux filaments intermédiaires du cytosquelette.

Astuce mémo

Imaginez le collagène comme les armatures d’un béton, noyées dans le gel des protéoglycanes.

7. Paroi végétale et communications

Notions clés & Définitions

  • Plasmodesme : Canal cytoplasmique traversant les parois de deux cellules végétales adjacentes et assurant leur communication intercellulaire.

★ À maîtriser

  • La paroi végétale comprend : de la cellulose, des hémicelluloses, des pectines, des protéines dynamiques telles que l’expansine
  • 🔄 La paroi se met en place en trois étapes :
    1. Une lamelle moyenne riche en pectine se forme entre les membranes des cellules filles à partir du phragmoplaste.
    2. La lamelle moyenne s’épaissit en paroi primaire encore élastique et extensible.
    3. La paroi peut évoluer en paroi secondaire.

Compléments

  • La cellulose est un polysaccharide de glucose synthétisé à la membrane plasmique par les cellulose-synthases.

  • Les pectines sont des polysaccharides chargés négativement contenant de l’acide galacturonique ; elles retiennent l’eau et forment un gel hydraté entre les fibres.

  • Comme la matrice animale, la paroi végétale hydrophile permet la diffusion de l’eau, des ions, des nutriments, des déchets et des hormones, indispensable à la vie cellulaire.

  • La paroi secondaire végétale s’enrichit en cellulose et incorpore le plus souvent de la lignine, qui rigidifie la paroi et constitue le principal composant du bois.

📌 Une paroi secondaire entièrement lignifiée devient inextensible et imperméable, et la cellule qu’elle entoure meurt.

  • Les plasmodesmes sont bordés par la membrane plasmique et contiennent généralement un desmotubule dense dérivé du réticulum endoplasmique lisse des deux cellules.

Astuce mémo

Lamelle moyenne → paroi primaire extensible → paroi secondaire lignifiée.

8. Principes des échanges membranaires

★ À maîtriser

  • Les échanges membranaires peuvent être passifs, par transport actif primaire ou par transport actif secondaire, et suivent des gradients chimiques ou électrochimiques selon leur mécanisme.

  • Une molécule traverse d’autant plus rapidement la bicouche lipidique qu’elle est petite, non chargée et hydrophobe ; les gaz, l’urée et l’éthanol passent facilement, contrairement au glucose, aux ions et à l’ATP.

  • Un déplacement transmembranaire spontané exige une variation d’enthalpie libre négative, correspondant à la différence de potentiel électrochimique entre les compartiments.

  • La diffusion facilitée fait traverser les substances dans le sens de leur gradient électrochimique et utilise des transporteurs pour les solutés organiques et certains ions, ou des canaux principalement pour les ions minéraux.

  • Le transport actif déplace sélectivement un soluté contre son gradient électrochimique et requiert de l’énergie ; il est primaire si l’énergie vient de l’hydrolyse de l’ATP, de la lumière ou du transport d’électrons, et secondaire si elle vient du gradient d’une autre substance.

  • La pompe Na⁺/K⁺-ATPase fixe trois Na⁺ intracellulaires, se phosphoryle et libère ces ions à l’extérieur, fixe ensuite deux K⁺, se déphosphoryle et libère les K⁺ dans la cellule.

  • Le transport actif secondaire couple le déplacement d’un soluté contre son gradient au passage exergonique d’une autre substance suivant son gradient électrochimique décroissant.

Compléments

  • La cinétique des flux transmembranaires est linéaire pour la diffusion simple dans la phase lipidique et hyperbolique pour la diffusion facilitée par transporteur, tandis que celle des canaux est linéaire dans les conditions cellulaires.

  • La diffusion simple se fait sans interaction spécifique avec la membrane, au travers de la bicouche sous l’effet de l’agitation moléculaire, avec un flux net lié à une différence de concentration.

  • Par diffusion simple, les gaz O₂ et CO₂ traversent facilement la membrane, l’eau la traverse également, le glucose passe très lentement et les protéines ne la franchissent pas spontanément.

  • Le transporteur GLUT permet l’entrée du D-glucose dans les hématies selon son gradient de concentration, et sa saturation caractérise le transport par transporteur.

  • Les aquaporines transportent l’eau, tandis que les canaux ioniques sélectifs transportent des ions et peuvent être régulés par le voltage ou un messager chimique.

  • Les canaux de fuite présents dans toutes les cellules eucaryotes sont cent fois plus perméables à K⁺ qu’à Na⁺ et contribuent au potentiel de membrane.

  • Les gradients de Na⁺ et de K⁺ permettent : de contrôler le volume cellulaire, de rendre les neurones et les cellules musculaires excitables, d’assurer le transport actif secondaire des sucres et des acides aminés

  • La pompe Na⁺/K⁺-ATPase consomme plus d’un tiers de l’énergie cellulaire.

  • Dans les cellules animales, le gradient de Na⁺ établi par la pompe Na⁺/K⁺-ATPase sert souvent de moteur au transport actif secondaire, tandis que le gradient de H⁺ joue généralement ce rôle dans les cellules végétales.

Astuce mémo

Diffusion passive dans le sens du gradient, transport actif contre le gradient.

9. Potentiels membranaires et transport vésiculaire

Notions clés & Définitions

  • Potentiel d’équilibre d’un ion : Potentiel de membrane pour lequel le flux net de cet ion est nul.
  • Exocytose : Fusion d’une vésicule avec la membrane plasmique.
  • Compartiment cellulaire : Espace clos par au moins une membrane à l’intérieur de la cellule.

★ À maîtriser

  • Les flux ioniques transmembranaires établissent un potentiel électrique appelé potentiel de membrane.

  • Le potentiel de membrane mesuré est de l’ordre de −60 mV et varie de −15 à −100 mV selon les cellules.

  • Le Na⁺ et le Cl⁻ sont abondants dans le milieu extracellulaire, tandis que le K⁺ est majoritaire dans le cytosol, et la pompe Na⁺/K⁺-ATPase entretient ces gradients.

📌 Le potentiel de membrane dépend des potentiels d’équilibre de K⁺, Na⁺ et Cl⁻ ainsi que de la conductance membranaire respective à ces ions ; l’ouverture ou la fermeture de canaux peut donc le modifier.

  • Lors de l’endocytose des LDL, les LDL se fixent à leur récepteur, la clathrine provoque l’invagination de la membrane en puits recouvert, puis le bourgeon se détache pour former une vésicule.
  • Les protéines SNARE guident sélectivement les vésicules : les v-SNARE des vésicules reconnaissent les t-SNARE des membranes cibles par interaction de leurs SNARE-motifs cytosoliques, longs de 60 à 70 acides aminés.

Compléments

📌 Dans les cellules non excitables, la différence de potentiel est appelée potentiel de membrane, tandis que dans les neurones et les cellules musculaires excitables, elle est appelée potentiel de repos.

📌 Le potentiel d’équilibre d’un ion est la valeur du potentiel de membrane si celle-ci n’était perméable qu’à cet ion, et il est atteint lorsque les composantes chimique et électrique du potentiel s’équilibrent.

  • Le potentiel d’équilibre du K⁺ dans une cellule animale est de −84 mV, proche du potentiel de membrane mesuré de −60 mV, car la membrane est aussi un peu perméable à Na⁺ et à Cl⁻.

  • Le noyau, la mitochondrie, le peroxysome et le réticulum endoplasmique sont des compartiments cellulaires, contrairement aux ribosomes qui ne sont pas délimités par une membrane.

  • L’endocytose récepteur-dépendante fait entrer notamment :

    • de nombreuses hormones
    • des protéines de transport
    • des antibiotiques
    • des virus
    • des toxines
  • Le transport et le guidage des vésicules font intervenir les microtubules du cytosquelette par l’intermédiaire de molécules motrices.

10. Cycles du phage lambda

Notions clés & Définitions

  • Phage tempéré : Un phage tempéré, comme le phage λ, peut persister sans tuer son hôte et entrer en cycle lytique après induction.

★ À maîtriser

  • En cas de stress, l’ADN du prophage lambda s’excise du chromosome bactérien et le phage entre en cycle lytique.

Compléments

  • Le cycle du phage lambda comprend l’arrimage à la bactérie, l’entrée de l’ADN, sa circularisation, son intégration au chromosome ou sa réplication, puis la production de phages et la lyse, tandis qu’un stress peut induire l’excision du prophage.

Astuce mémo

Stress → excision du prophage → cycle lytique

11. Virus de la mosaïque du tabac

★ À maîtriser

  • Le virus de la mosaïque du tabac est un bâtonnet creux de 300 nm de long et 17 nm de diamètre, dont le génome est un ARN simple brin hélicoïdal de 6 400 nucléotides.
  • L’infection par le VMT commence par une lésion, puis le virus peut passer de cellule en cellule par les plasmodesmes grâce à une protéine de mouvement codée par son génome.

Compléments

  • Le génome du VMT code quatre protéines, dont la protéine constituant la capside.

  • Le VMT infecte le tabac et d’autres Solanacées, où il provoque des nécroses foliaires.

12. Cycle du VIH

★ À maîtriser

  • Le VIH est un virus enveloppé d’environ 100 nm de diamètre, doté de deux molécules d’ARN simple brin, qui infecte spécifiquement les lymphocytes T4 auxiliaires humains.

  • Le VIH se fixe au récepteur CD4 des LT4 grâce à gp120, fusionne avec la membrane cellulaire, puis sa capside est dégradée et libère son génome dans le cytoplasme.

  • La transcriptase inverse produit un ADN double brin à partir de l’ARN du VIH, puis l’intégrase insère cet ADN au hasard dans le génome de la cellule hôte, où il constitue un provirus latent.

Compléments

  • L’ADN viral intégré est transcrit et traduit, puis de nouveaux génomes et constituants viraux sont produits dans le cytoplasme.

  • Les nouvelles capsides du VIH s’assemblent et bourgeonnent en acquérant un morceau de la membrane plasmique de la cellule hôte.

Astuce mémo

Attachement → transcription inverse → biosynthèse → bourgeonnement

13. Coronavirus SARS-CoV-2

★ À maîtriser

  • Le génome du SARS-CoV-2 est une molécule d’ARN simple brin de 30 kb.

  • La protéine Spike permet au SARS-CoV-2 d’entrer dans les pneumocytes ; l’enveloppe fusionne avec la membrane plasmique, la nucléocapside libère l’ARN dans le cytoplasme et la machinerie cellulaire produit des génomes et protéines virales.

Compléments

  • Le SARS-CoV-2 est un virus zoonotique, transmis d’un hôte animal à l’être humain, enveloppé, sphérique et d’environ 100 nm de diamètre.

14. Réplication de l’ADN, mutations et fidélité

Notions clés & Définitions

  • Réplicon : Le réplicon est l’unité de réplication de l’ADN eucaryote, constituée d’une origine et d’une terminaison.

★ À maîtriser

  • Meselson et Stahl ont démontré en 1958 que la réplication de l’ADN est semi-conservative en distinguant l’azote lourd 15N de l’azote léger 14N dans l’ADN bactérien.

📌 Les ADN polymérases synthétisent l’ADN uniquement dans le sens 5’→3’ : le brin précoce est continu, tandis que le brin tardif est produit en fragments d’Okazaki discontinus.

  • Une substitution par commutation tautomérique peut survenir lorsqu’une base rare sous forme énol s’apparie anormalement, par exemple T avec G au lieu de A, et conduire à une transition GC→AT.

  • Lors d’un dérapage réplicatif, une boucle sur le brin décalé vers son extrémité 3’ entraîne une délétion, tandis qu’un dérapage du brin néosynthétisé vers son extrémité 5’ entraîne une insertion.

  • Une mutation faux-sens remplace un acide aminé par un autre, une mutation non-sens crée prématurément un codon stop, une mutation silencieuse conserve le même acide aminé et les insertions ou délétions ont des effets dépendant de leur position.

  • Une perte de fonction diminue ou abolit la fonction normale du gène, par diminution du taux de protéine ou production d’une protéine anormale, tandis qu’un gain de fonction augmente le taux de protéine ou lui confère une fonction nouvelle.

Compléments

  • Chez les Eucaryotes, plusieurs réplicons fonctionnent simultanément et la réplication progresse dans les deux directions à partir de chaque origine.

  • À la fourche de réplication, l’hélicase déroule l’ADN en hydrolysant l’ATP, les protéines RPA stabilisent les brins simples et la topoisomérase relâche le stress de torsion en coupant puis rejoignant l’ADN.

  • Sur le brin tardif, une ADN polymérase retire les amorces d’ARN par son activité exonucléasique 5’→3’, remplace les séquences manquantes par de l’ADN, puis une ligase relie les fragments d’Okazaki.

  • Au cours des réplications successives, l’absence de support pour amorcer l’extrémité du brin tardif laisse un fragment simple brin fragile qui est détruit, ce qui raccourcit progressivement les télomères.

  • Dans certaines cellules souches et embryonnaires, la télomérase contient un ARN servant de matrice pour allonger l’extrémité 3’ de l’ADN télomérique, permettant ensuite la synthèse du brin complémentaire et s’opposant au raccourcissement des chromosomes.

  • Les agents génotoxiques peuvent induire des mutations en prenant la place d’une base lors de la réplication.

  • Les mutations sont les seules sources d’innovations évolutives et peuvent aussi être à l’origine de cancers et de maladies génétiques chez l’être humain.

  • Chez E. coli, la probabilité d’incorporer un mauvais nucléotide pendant la réplication est inférieure à 10⁻⁹, soit moins d’une erreur par milliard de nucléotides.

  • La fidélité de réplication repose sur la sélection des nucléotides par l’ADN polymérase, sa correction immédiate par activité exonucléasique 3’→5’, puis la correction retardée des mésappariements après la fourche.

Astuce mémo

Dérouler → amorcer → allonger → remplacer → ligaturer

15. Mitose et cycle cellulaire

Notions clés & Définitions

  • Mitose : La mitose est une division nucléaire qui répartit les chromosomes entre deux cellules filles, tandis que la cytocinèse partage le cytoplasme.

★ À maîtriser

  • En anaphase A, les microtubules kinétochoriens raccourcissent et tirent les chromosomes vers les pôles ; en anaphase B, les pôles s’écartent par glissement des microtubules polaires, traction des microtubules astériens et allongement des microtubules polaires.

📌 Dans les cellules animales, un anneau contractile d’actine et de myosine sépare les cellules par étranglement, tandis que les cellules végétales forment une plaque cellulaire à partir d’un phragmoplaste et de vésicules de sécrétion.

  • Le cycle cellulaire comprend une phase M, réunissant mitose et cytocinèse et durant 30 minutes à 1 heure, ainsi qu’une interphase de durée variable.

📌 La nécrose est une mort accidentelle provoquant l’éclatement cellulaire et une réaction inflammatoire, tandis que l’apoptose est une mort programmée conduisant à la phagocytose sans inflammation.

Compléments

  • La mitose peut survenir dans des cellules diploïdes ou haploïdes, et les œufs de Xénope servent de modèle pour son étude.
  • Pendant la prophase, les chromosomes se condensent en deux chromatides unies au centromère, le fuseau se forme et l’enveloppe nucléaire ainsi que certains organites se fragmentent.

  • En prométaphase, l’enveloppe nucléaire se rompt, les microtubules kinétochoriens s’attachent aux kinétochores et les chromosomes migrent vers la plaque équatoriale.

  • En métaphase, les chromosomes sont alignés sur le plan équatorial de la cellule.

  • En télophase, l’enveloppe nucléaire se reforme par déphosphorylation des protéines de la lamina, les chromosomes se décondensent et les organites se remettent en place.

📌 L’interphase comprend G1, phase de croissance, S, phase de réplication du génome, et G2, seconde phase de croissance durant laquelle les mitochondries et les centrosomes se dupliquent.

  • Les trois grands points de contrôle du cycle cellulaire régulent l’engagement en phase S, l’engagement en phase M et la transition de la métaphase à l’anaphase, et ne sont franchis que si l’état cellulaire ou environnemental est favorable.

  • L’apoptose intervient dans : l’embryogenèse, l’élimination des cellules immunitaires autoréactives, la mort des cellules lésées, la mort des cellules cancéreuses, la régulation de la masse des organes

📌 Une apoptose insuffisante favorise les cancers et les maladies auto-immunes, tandis qu’une apoptose excessive favorise les maladies neurodégénératives.

Astuce mémo

G1 → S → G2 → M

16. Transcription chez les Eucaryotes

Notions clés & Définitions

  • Gène : Un gène est une unité de transcription comprenant les séquences d’ADN nécessaires à la synthèse d’un ARN et ses séquences régulatrices.
  • Transcriptome cellulaire : Le transcriptome cellulaire est l’ensemble des ARN transcrits et maturés dans une cellule.

★ À maîtriser

  • La transcription est la synthèse d’un ARN à partir d’une matrice ADN par des ARN polymérases ADN-dépendantes.

📌 Les ARN polymérases eucaryotes synthétisent des classes distinctes d’ARN : l’ARNpol I produit les ARNr 28S, 18S et 5,8S, l’ARNpol II les ARNm et la plupart des petits ARN nucléaires, et l’ARNpol III les ARNt, l’ARNr 5S et quelques petits ARN nucléaires.

  • Dans le noyau, le spliceosome, formé de RNPsn, élimine les introns et relie les exons des transcrits primaires eucaryotes.

  • L’épissage alternatif produit plusieurs ARNm à partir d’un même transcrit primaire en retirant certains exons avec les introns, tout en conservant l’ordre des exons retenus.

  • Le contrôle de la transcription dépend des interactions entre séquences régulatrices et facteurs de transcription, ainsi que de la méthylation de l’ADN et des modifications de la chromatine.

Compléments

  • Environ 3 % des gènes d’un procaryote et 0,01 % des gènes d’une cellule eucaryote différenciée sont en cours de transcription à un instant donné.

  • Le promoteur central eucaryote comprend la TATA box située vers −30 pb et la CAAT box vers −80 pb ; les enhancers augmentent la transcription et les silencers la diminuent.

  • L’initiation de la transcription eucaryote nécessite des facteurs généraux, associés aux promoteurs d’un même type d’ARN polymérase, et des facteurs spécifiques régulant certains gènes.

  • La coiffe en 5’ des ARNm eucaryotes est une guanosine méthylée reliée par une liaison inhabituelle 5’-5’ ; elle protège l’ARN de la dégradation et participe à l’initiation de la traduction.

  • Après clivage du transcrit, une poly-A-polymérase ajoute une queue de 100 à 200 résidus adénine à son extrémité 3’, ce qui stabilise l’ARNm.

  • L’épissage alternatif concerne 35 à 60 % des gènes humains et contribue à expliquer comment environ 21 000 gènes codent 120 000 protéines différentes.

17. Régulation transcriptionnelle procaryote et eucaryote

Notions clés & Définitions

  • Code histone : la combinaison des modifications covalentes des histones qui détermine le degré de compaction de l’ADN
  • Remodelage de la chromatine : le déplacement des nucléosomes sur l’ADN, qui peut démasquer ou masquer les promoteurs
  • Épigénome : l’ensemble des modifications transmissibles qui participent au contrôle épigénétique de l’expression génétique

★ À maîtriser

  • L’opéron lactose comprend : un promoteur, un opérateur, trois gènes nécessaires au métabolisme du lactose

  • En absence de lactose, le répresseur se fixe sur l’opérateur, empêche la fixation de l’ARN polymérase au promoteur et bloque la transcription des gènes de l’opéron.

  • En présence de lactose et en absence de glucose, l’allolactose inactive le répresseur et l’AMP cyclique active CAP, qui favorise la fixation de l’ARN polymérase et une transcription importante.

  • Chez les Eucaryotes, des facteurs de transcription optionnels se fixent sur des séquences distales enhancers ou silencers et interagissent avec le complexe basal de transcription, rapprochés par une boucle d’ADN.

  • Les modifications covalentes des histones comprennent :

    • l’acétylation
    • la phosphorylation
    • la méthylation
  • La méthylation d’un gène réprime son expression, tandis que l’état de méthylation des îlots CpG en amont des gènes humains reflète leur profil d’expression tissulaire.

Compléments

  • En présence de glucose et de lactose, l’allolactose inactive le répresseur, mais CAP ne se fixe pas sans AMPc et la transcription reste faible.

  • Les motifs de liaison à l’ADN cités sont :

    • les doigts de zinc
    • la glissière à leucines
    • le motif hélice-boucle-hélice
  • La méthylation de l’ADN eucaryote touche notamment les cytosines de séquences CpG répétées, et environ 10 % des cytosines des Vertébrés sont méthylées.

Astuce mémo

ADN compacté → facteurs moins accessibles → initiation modulée

18. Interférence par les ARN

★ À maîtriser

  • Les ARNsi proviennent d’un ARN bicaténaire clivé par Dicer en fragments de 21 à 23 nucléotides ; un brin rejoint RISC, qui le guide vers un ARNm complémentaire et le clive.

  • Les ARNmi sont transcrits par l’ARN polymérase II, maturés en précurseurs repliés, exportés vers le cytosol, clivés par Dicer en ARNmi de 20 à 23 nucléotides, puis incorporés dans RISC.

📌 Un ARNmi partiellement complémentaire à son ARNm cible inhibe généralement la traduction, tandis qu’un ARNsi complémentaire guide le clivage de l’ARNm.

Compléments

  • Un ARNsi peut guider la destruction de nombreuses copies de l’ARNm cible et ainsi bloquer la synthèse de la protéine correspondante.

  • Les ARNsi dérivent notamment d’ARN bicaténaires viraux ou d’éléments transposables et ciblent les transcrits dont ils proviennent, tandis que les ARNmi sont codés par des segments conventionnels du génome et ciblent des ARNm du programme cellulaire normal.

  • Des souris mutées sur Dicer meurent au début de leur développement, ce qui montre que les ARNmi sont nécessaires au développement initial des Mammifères.

Astuce mémo

Dicer → ARNsi dans RISC → ARNm complémentaire détruit

19. Traduction et maturation des protéines

★ À maîtriser

  • Le ribosome eucaryote 80S comprend une grande sous-unité 60S et une petite sous-unité 40S.

  • La traduction eucaryote comporte trois étapes :

    • l’initiation
    • l’élongation
    • la terminaison
  • La peptidyl-transférase catalyse la formation de la liaison peptidique et son activité est portée par l’ARNr de la grande sous-unité, ce qui en fait un ribozyme.

  • Les protéines membranaires et sécrétées portent généralement une séquence-signal de 9 à 12 résidus d’acides aminés, reconnue par la PRS qui dirige le ribosome vers le réticulum endoplasmique.

  • Les protéines sécrétées et membranaires transitent par le REG, l’appareil de Golgi et des vésicules, tandis que les protéines destinées au cytosol, au noyau, aux mitochondries, aux chloroplastes ou aux peroxysomes sont traduites sur des ribosomes libres et adressées par une séquence signal spécifique.

Compléments

  • Chez les Eucaryotes, la traduction débute au codon AUG, qui code la méthionine, reconnu lors de l’appariement avec l’anticodon de l’ARNt-Met.

  • La sélection du bon aminoacyl-ARNt lors de l’élongation est l’étape limitante de la synthèse protéique, avec un taux d’erreur d’environ un codon sur 10⁴.

  • Lors de la translocation, le ribosome avance d’un codon dans le sens 5′ vers 3′, le peptidyl-ARNt passe du site A au site P et l’ARNt désacétylé rejoint le site E avant de quitter le ribosome.

  • Un codon stop au site A est reconnu par un facteur de terminaison, car aucun ARNt ne reconnaît les codons stop.

  • Les protéines commencent à se replier dès que leur extrémité N-terminale sort du ribosome, et des chaperonnes assistent ce repliement ainsi que l’assemblage de sous-unités dans la bonne stœchiométrie et orientation.

  • Les modifications post-traductionnelles comprennent : les glycosylations, les sulfatations, les phosphorylations, la maturation par protéolyse de certaines protéines

📌 Les protéines des organites semi-autonomes proviennent soit du cytosol après adressage, soit de la synthèse locale à partir de l’information génétique de la matrice ou du stroma.

  • Chez les Eubactéries, transcription et traduction sont simultanées, et la plupart des ARNm procaryotes sont polycistroniques.

  • Le VMT libère un ARN+ dans le cytosol, qui permet la production de réplicases ; celles-ci fabriquent des génomes ARN+ via un intermédiaire ARN−, ensuite traduits en protéines de capside pour assembler de nouveaux virions.

20. Diversification par méiose et sexualité

★ À maîtriser

📌 La première division de méiose est réductionnelle car elle réduit de moitié le nombre de chromosomes, tandis que la seconde est équationnelle car elle sépare les chromatides sœurs sans changer ce nombre.

  • Le brassage intrachromosomique a lieu en prophase I lorsque des chromosomes homologues appariés échangent des fragments aux chiasmas, et il est d’autant plus probable que les gènes suivis sont éloignés.

  • Le brassage interchromosomique résulte du positionnement aléatoire des chromosomes en métaphase I et de la séparation indépendante des paires, produisant de nouvelles combinaisons alléliques.

Compléments

📌 Aucune réplication des chromosomes n’a lieu entre les deux divisions de méiose.

  • Avec 23 paires de chromosomes, l’être humain peut produire 2²³ combinaisons par brassage interchromosomique.

📌 Chez Sordaria, les asques pré-réduits séparent les allèles dès la première division méiotique sans crossing-over, tandis que les asques post-réduits les séparent après la seconde division à la suite d’un crossing-over.

  • Les cycles de reproduction sexuée se répartissent en : cycles diplophasiques, où la phase haploïde est réduite aux gamètes, cycles haplophasiques, où la phase diploïde est réduite à la cellule-œuf, cycles haplo-diplophasiques, qui comportent deux phases végétatives

  • Si n gènes sont hétérozygotes, le nombre de gamètes différents possibles est 2n2^n.

Astuce mémo

Intrachromosomique : échange entre homologues ; interchromosomique : répartition indépendante

21. Transferts horizontaux de gènes

★ À maîtriser

  • Lors de la conjugaison bactérienne, une bactérie F+ émet un pilus vers une bactérie F−, transfère un brin de son plasmide F par un pont cytoplasmique, puis la réplication restaure le brin complémentaire dans les deux bactéries et rend la receveuse F+.

  • Les trois modes de transfert génétique bactérien sont la conjugaison, l’intégration d’ADN environnemental par transformation et le transfert de gènes par un phage lors de la transduction.

Compléments

  • Chez les bactéries Hfr, le plasmide F intégré au génome permet le transfert de gènes bactériens adjacents, mais les receveuses deviennent rarement F+ car le chromosome donneur est rarement transféré en entier.

  • Des gènes des mitochondries et des chloroplastes sont présents dans le génome nucléaire des cellules eucaryotes qui les hébergent.

  • Environ 8 % de l’ADN humain est d’origine rétrovirale, et certains rétrovirus endogènes expriment des gènes de syncytines indispensables à l’architecture du placenta embryonnaire.

22. Diversification par mutations

★ À maîtriser

  • Les mutations peuvent résulter d’erreurs de réplication non réparées ou de lésions de l’ADN non réparées, dont la fréquence peut augmenter sous l’effet d’agents mutagènes.

📌 L’aneuploïdie correspond à un ou plusieurs chromosomes en plus ou en moins, tandis que la polyploïdie correspond à l’addition d’un ou plusieurs jeux complets de chromosomes.

Compléments

  • La désamination oxydative spontanée des bases survient environ 1 000 fois par génome par jour, mais elle est généralement réparée.

  • Un métabolite de l’aflatoxine B1 forme un produit d’addition volumineux sur la guanine, entraînant une dépurination ; en l’absence de réparation, cette lésion peut provoquer une mutation et l’aflatoxine B1 est un puissant cancérogène hépatique.

  • Les UV provoquent des dimères de thymine qui déforment la double hélice, tandis que les radiations ionisantes peuvent provoquer des cassures de brins, notamment des cassures double brin pouvant entraîner la mort cellulaire si elles ne sont pas réparées.

  • Le syndrome de Turner est associé à 45 chromosomes avec X, et la trisomie 21 à 47 chromosomes dont trois chromosomes 21.

  • Les réarrangements chromosomiques comprennent :

    • les délétions
    • les duplications
    • les inversions
    • les translocations
  • La fusion robertsonienne du bras long du chromosome 21 avec celui du chromosome 14 peut être responsable de formes familiales du syndrome de Down.

  • Les sites fragiles sont des régions chromosomiques peu compactées et sensibles aux cassures, à l’origine du syndrome de l’X fragile.

Tableaux de synthèse

Tissu épithélial et tissu conjonctif

TissuOrganisation cellulaireMatrice
ÉpithélialCellules jointives en une ou plusieurs assisesLame basale
ConjonctifCellules isoléesMatrice extracellulaire abondante

Types de mutations et conséquences protéiques

MutationConséquence
Faux-sensRemplacement d’un acide aminé
Non-sensApparition prématurée d’un codon stop
SilencieuseMême acide aminé conservé
Insertion ou délétionEffet variable selon la position

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1. Pendant une mitose, la lamina nucléaire se désagrège et le cortex d’actine participe à des fonctions cellulaires. Quelles propositions sont exactes ?

2. Qu’est-ce qui distingue le nucléoïde procaryote du noyau eucaryote ?

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Quel rôle de barrière assure la membrane plasmique ?

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Quelles fonctions le cytosquelette remplit-il dans la cellule ?

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Quel diamètre et quelle composition caractérisent les microtubules ?

Ils mesurent 24 nm de diamètre et sont formés de tubulines α et β.

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