Fiche de révision : Biologie cellulaire et moléculaire

📋 Plan du Cours

1. Découverte et théorie cellulaire
2. Cellule et organisation du vivant
3. Types et constituants cellulaires
4. ADN et information héréditaire
5. Structure des acides nucléiques
6. Réplication de l’ADN
7. Transcription et maturation des ARN
8. Traduction et ribosomes
9. Code génétique et lecture des codons
10. Acteurs de la traduction
11. Étapes de la traduction bactérienne
12. Noyau et organisation génétique
13. Réticulum endoplasmique et Golgi
14. Lysosomes et peroxysomes
15. Structure et fonction mitochondriales

📖 1. Découverte et théorie cellulaire

★ À maîtriser

• Robert Hooke observe des cavités dans le liège et invente le mot « cellule » en 1665.

• La théorie cellulaire affirme que :

  • la cellule est la plus petite entité vivante
  • tout être vivant est composé de cellules
  • toute cellule provient d’une autre cellule

Compléments

• Antonie Van Leeuwenhoek est le premier à observer réellement des cellules en 1674 et décrit notamment des organismes unicellulaires, des globules rouges et des spermatozoïdes.

• En 1838, Matthias Schleiden suggère que tous les tissus végétaux sont faits de cellules.

• En 1855, Rudolf Virchow suggère que toute cellule provient d’une cellule préexistante.

💡 Astuce mémo

Hooke nomme, Leeuwenhoek observe, Virchow relie les cellules

📖 2. Cellule et organisation du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité fondamentale structurale et fonctionnelle des organismes vivants.
• Homéostasie : Propriété des êtres vivants à maintenir stable leur milieu interne.

📝 Points essentiels

• L’activité d’un organisme dépend de celle de ses cellules, et les activités biochimiques cellulaires dépendent des structures spécifiques qu’elles contiennent.

• Un être humain contient environ 100 000 milliards de cellules, soit 10¹⁴ cellules.

• En dessous du niveau cellulaire, la vie est impossible ; un chloroplaste ne peut fonctionner que s’il est intégré à une cellule végétale.

• Des propriétés nouvelles apparaissent à un niveau d’organisation supérieur, comme lorsqu’un ensemble de cellules endothéliales forme un tissu contribuant à un tube qui canalise le sang.

💡 Astuce mémo

Cellules associées → propriétés émergentes du tissu

📖 3. Types et constituants cellulaires

★ À maîtriser

📌 Les cellules eucaryotes, plus récentes et plus grandes, possèdent un noyau délimité par une membrane et des organites membraneux, tandis que les procaryotes, plus anciennes et plus petites, n’en possèdent pas.

Compléments

• Les cellules eucaryotes sont présentées comme apparues il y a 2,5 milliards d’années et mesurant environ 50 μm.

• Les cellules procaryotes sont présentées comme apparues il y a 3,5 milliards d’années et mesurant environ 5 μm.

• Chez les procaryotes, l’ADN se trouve dans une zone nucléoïde constituée d’un seul chromosome fortement replié.

• La cellule eucaryote comprend : un noyau, un cytoplasme situé entre le noyau et la membrane plasmique, une membrane plasmique qui délimite la cellule

💡 Astuce mémo

Procaryote sans noyau, eucaryote avec noyau

📖 4. ADN et information héréditaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Gène : Programme permettant de fabriquer une molécule de protéine.
• Réplication : Dédoublement de l’ADN avant la division cellulaire.
• Génome : Lot de gènes reçus des parents au moment de la conception.

★ À maîtriser

• Un chromosome est constitué d’une seule longue molécule d’ADN et de protéines associées, et contient des centaines ou des milliers de gènes selon sa longueur.

• Le zygote résulte de la réunion de l’ADN paternel apporté par 23 chromosomes du spermatozoïde et de l’ADN maternel apporté par 23 chromosomes de l’ovule, soit 46 chromosomes.

Compléments

• Chaque cellule de l’enfant possède les mêmes 46 chromosomes que ceux présents dans le zygote.

💡 Astuce mémo

ADN → gènes → protéines

📖 5. Structure des acides nucléiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléoside : Constitué d’une base azotée liée à un pentose.
• Nucléotide : Un nucléotide est constitué d’une base azotée, d’un pentose et d’un acide phosphorique ; il correspond à un nucléoside auquel s’ajoute un phosphate.
• Liaison phosphodiester : Relie le phosphate d’un nucléotide au sucre du nucléotide voisin dans un acide nucléique.

★ À maîtriser

• Les bases puriques sont l’adénine et la guanine, tandis que les bases pyrimidiques sont la cytosine, l’uracile et la thymine.

Compléments

• Les désoxynucléosides cités sont :

  • la désoxycytidine
  • la désoxythymidine
  • la désoxyguanosine
  • la désoxyadénosine

• Les nucléosides de l’ARN cités sont :

  • la cytidine
  • l’uridine
  • la guanosine
  • l’adénosine

💡 Astuce mémo

A-T et G-C : les paires complémentaires de l’ADN

📖 6. Réplication de l’ADN

★ À maîtriser

• Dans l’ADN, l’adénine s’apparie à la thymine par deux liaisons hydrogène et la cytosine s’apparie à la guanine par trois liaisons hydrogène.

• Les deux brins d’ADN sont antiparallèles et leurs squelettes sucre-phosphate sont à l’extérieur de la double hélice, tandis que les bases se trouvent à l’intérieur.

Compléments

• Selon le modèle de Chargaff présenté en 1950, la quantité d’adénine égale celle de thymine et la quantité de guanine égale celle de cytosine. - Erwin CHARGAFF

• L’ADN B est la forme de double hélice la plus fréquemment rencontrée dans les conditions physiologiques et son diamètre est d’environ 2,0 nm.

• Un tour d’hélice d’ADN B mesure environ 3,4 nm et contient en moyenne 10,4 à 10,5 paires de bases.

• Le génome haploïde humain contient 3 × 10⁹ paires de bases réparties sur 23 chromosomes.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison

📖 7. Transcription et maturation des ARN

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplication : La réplication est la synthèse de molécules d’ADN à partir d’une molécule parentale afin de transmettre une information génétique conforme à la descendance.

📝 Points essentiels

📌 La réplication est semi-conservative : chaque molécule d’ADN fille conserve un brin parental et comporte un brin nouvellement synthétisé complémentaire.

• La réplication est bidirectionnelle à partir de chaque origine et peut démarrer simultanément dans plusieurs foyers appelés réplicons.

• 🔄 La réplication comporte trois étapes principales :

  1. l’initiation
  2. l’élongation
  3. la terminaison

• Les ADN polymérases synthétisent les brins d’ADN dans le sens 5′ vers 3′ à partir de l’extrémité 3′-OH d’une amorce.

📌 À la fourche de réplication, le brin avancé est synthétisé continûment, tandis que le brin retardé est synthétisé de façon discontinue en fragments d’Okazaki.

💡 Astuce mémo

Transcription → coiffe, queue polyA, épissage

📖 8. Traduction et ribosomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Transcription : Transfère l’information d’une séquence d’ADN vers une séquence d’ARN.
• Traduction : Convertit l’information portée par l’ARN en une séquence de protéine selon le code génétique.

★ À maîtriser

• L’ARN polymérase synthétise l’ARN dans le sens 5′ vers 3′ en lisant le brin matrice dans le sens 3′ vers 5′.

📌 Les ARNm eucaryotes sont généralement monocistroniques et nécessitent une maturation, tandis que les ARNm procaryotes peuvent être polycistroniques et ne possèdent ni coiffe ni polyadénylation.

• La maturation du pré-ARNm comprend :

  • la formation d’une coiffe en 5′
  • l’ajout d’une queue polyA en 3′
  • l’épissage qui élimine les introns

• La traduction mobilise :

  • l’ARNm qui porte l’information
  • le ribosome qui assemble les acides aminés
  • les ARNt qui apportent les acides aminés

Compléments

• Les ARN polymérases eucaryotes ont les rôles suivants : l’ARN polymérase I synthétise les ARNr 18S, 5,8S et 28S, l’ARN polymérase II synthétise les ARNm, l’ARN polymérase III synthétise notamment les ARNt et l’ARNr 5S

📖 9. Code génétique et lecture des codons

🔑 Notions clés & Définitions

• Codon : Sydney Brenner et Francis Crick, 1960 - Groupe de trois bases de l’ARNm qui spécifie un acide aminé.

📝 Points essentiels

📐 Formule - Les quatre bases de l’ARNm permettent $4^3 = 64$ codons possibles pour coder 20 acides aminés.

• Les codons sont lus dans le sens 5′ → 3′, par groupes de trois bases non chevauchants et sans espace.

📖 10. Acteurs de la traduction

★ À maîtriser

• L’ARNm porte l’information, le ribosome assemble les acides aminés, les acides aminés sont les unités structurales des protéines et l’ARNt les apporte au ribosome.

📌 Le site P fixe l’ARNt lié à la chaîne polypeptidique en croissance, tandis que le site A fixe l’ARNt entrant chargé d’un acide aminé.

• Les ARNt sont de petits ARN monocaténaires d’environ 70 nucléotides, en feuille de trèfle, qui possèdent un site de reconnaissance de l’acide aminé et un anticodon reconnaissant le codon de l’ARNm.

• Une aminoacyl-ARNt synthétase spécifique fixe un acide aminé à son ARNt en deux étapes : activation de l’acide aminé par l’ATP, puis transfert sur l’ARNt.

Compléments

• Chez les bactéries décrites, le ribosome 70S comprend une petite sous-unité 30S avec 21 protéines et l’ARNr 16S, et une grande sous-unité 50S avec 31 protéines et les ARNr 23S et 5S.

• Il existe environ 40 ARNt pour 64 codons, et le wobble permet à un même ARNt de s’associer à deux codons différents spécifiant le même acide aminé.

📖 11. Étapes de la traduction bactérienne

★ À maîtriser

• Chez E. coli, la séquence Shine-Dalgarno, située en amont du codon initiateur, est complémentaire de courtes séquences de l’ARNr 16S de la petite sous-unité ribosomale.

• Lors de l’initiation, IF1, IF2 lié au GTP et IF3 participent à la fixation de l’ARNm et de l’ARNt initiateur fMet sur la sous-unité 30S, puis l’hydrolyse du GTP permet l’association des sous-unités 30S et 50S en ribosome 70S.

• Pendant l’élongation, un aminoacyl-ARNt entre au site A, la peptidyl-transférase forme la liaison peptidique, puis le ribosome transloque d’un codon dans le sens 5′ → 3′ avec l’aide d’EF-T et d’EF-G et une dépense de GTP.

• Lors de la terminaison bactérienne, RF1 reconnaît UAA et UAG, RF2 reconnaît UAA et UGA, et RF3 lié au GTP stimule RF1 et RF2.

Compléments

• Chez E. coli, les codons initiateurs sont AUG dans 83 % des cas, CUG dans 14 % et UUG dans 3 %.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison

📖 12. Noyau et organisation génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau : Structure de la majorité des cellules eucaryotes qui contient l’essentiel du matériel génétique et la machinerie nécessaire à la réplication des chromosomes et à l’expression des gènes.

★ À maîtriser

• Les pores nucléaires permettent le transport passif des molécules de moins de 50 kDa et le transport actif de celles de plus de 50 kDa avec des transporteurs.

📌 L’euchromatine est peu compacte et transcriptionnellement active, tandis que l’hétérochromatine est compacte et transcriptionnellement inactive.

Compléments

• L’enveloppe nucléaire comprend deux membranes séparées par un espace périnucléaire de 30 nm et interrompues par des pores; la membrane externe est en continuité avec le réticulum endoplasmique rugueux.

• Le nucléole, dépourvu de membrane, est le lieu de transcription et de maturation des ARNr 5,8S, 18S et 28S ainsi que du début de l’assemblage des sous-unités ribosomales.

💡 Astuce mémo

Euchromatine active au centre, hétérochromatine compacte en périphérie

📖 13. Réticulum endoplasmique et Golgi

★ À maîtriser

📌 Le réticulum endoplasmique rugueux porte des ribosomes sur sa face cytoplasmique, tandis que le réticulum endoplasmique lisse en est dépourvu.

• La synthèse d’une protéine destinée à l’export comprend l’adressage du ribosome au réticulum endoplasmique rugueux par un peptide signal, sa translocation dans la lumière pendant la synthèse, sa maturation, puis la sortie des protéines conformes dans des vésicules.

• Dans le réticulum endoplasmique, la N-glycosylation transfère un oligosaccharide préassemblé sur le dolichol à l’azote d’une asparagine située dans une séquence Asn–X–Ser/Thr.

• Le Golgi reçoit les vésicules du réticulum à sa face cis, poursuit les modifications dans les citernes médianes et concentre puis prépare l’expédition des produits à sa face trans.

• Le réseau trans-golgien trie les molécules vers la sécrétion constitutive, la sécrétion régulée ou la voie lysosomale, notamment pour les enzymes portant le signal mannose-6-phosphate.

Compléments

• Le réticulum endoplasmique est un réseau de citernes et de tubules membranaires représentant 20 à 50 % des membranes cellulaires et jusqu’à 10 % du volume cellulaire.

💡 Astuce mémo

RE → cis → médian → trans

📖 14. Lysosomes et peroxysomes

★ À maîtriser

• Les lysosomes, formés dans l’appareil de Golgi, mesurent 0,2 à 0,5 μm et réalisent la digestion intracellulaire grâce à des hydrolases acides.

• Les pompes à protons et les canaux à ions chlorure maintiennent le pH lysosomal entre 4,5 et 5, condition nécessaire au fonctionnement des hydrolases acides.

• Dans les peroxysomes, les oxydases convertissent des substrats organiques RH₂ en R et produisent du peroxyde d’hydrogène selon $RH_2 + O_2 \rightarrow R + H_2O_2$.

Compléments

• Les peroxysomes sont des organites à membrane simple, de 0,1 à 1 μm, qui se forment à partir de protéines et de lipides produits dans le cytosol et se multiplient par scissiparité.

• La catalase utilise le peroxyde d’hydrogène pour oxyder d’autres substrats toxiques R′, selon $H_2O_2 + R'H_2 \rightarrow R' + 2H_2O$.

💡 Astuce mémo

Hydrolases acides dans le lysosome, oxydases et catalase dans le peroxysome

📖 15. Structure et fonction mitochondriales

★ À maîtriser

• La mitochondrie possède une membrane externe et une membrane interne repliée en crêtes; la membrane interne porte la chaîne respiratoire, l’ATP synthase et des transporteurs nécessaires à la production d’ATP.

• La matrice mitochondriale contient des enzymes nécessaires à l’oxydation du pyruvate et des acides gras en acétyl-CoA ainsi qu’au cycle de l’acide citrique.

Compléments

• La membrane mitochondriale externe est perméable aux molécules de 5 kDa ou moins grâce aux porines et contient des translocases impliquées dans l’import des protéines.

• La mitochondrie contient plusieurs copies identiques d’ADN mitochondrial et les protéines nécessaires à sa transcription puis à la traduction de l’ARNm en protéines.