Fiche de révision : Biologie cellulaire et moléculaire

📋 Plan du Cours

1. Découverte et théorie cellulaire
2. Cellule unité du vivant
3. Cellules procaryotes et eucaryotes
4. ADN, chromosomes et hérédité
5. Structure des acides nucléiques
6. Double hélice et compaction
7. Réplication de l’ADN
8. Transcription et maturation
9. Traduction et code génétique
10. Code génétique et traduction
11. Acteurs moléculaires de la traduction
12. Étapes de la traduction bactérienne
13. Noyau et échanges nucléaires
14. Réticulum endoplasmique
15. Appareil de Golgi
16. Lysosomes et peroxysomes
17. Structure et rôle mitochondrial

📖 1. Découverte et théorie cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Théorie cellulaire : Affirme que la cellule est la plus petite entité vivante, que tout être vivant est composé de cellules et que toute cellule provient d’une autre cellule préexistante.

★ À maîtriser

• Robert Hooke a observé en 1665 de petits espaces dans le liège et a créé le terme « cellule » en les comparant aux cellules d’une prison.

• Antonie van Leeuwenhoek a été le premier à observer réellement des cellules en 1674, notamment des unicellulaires, des globules rouges et des spermatozoïdes.

Compléments

• En 1838, Matthias Schleiden a proposé que tous les tissus végétaux sont constitués de cellules.

• En 1855, Rudolf Virchow a proposé que toute cellule provient d’une autre cellule préexistante.

💡 Astuce mémo

Hooke nomme → Leeuwenhoek observe → Schleiden et Schwann généralisent → Virchow complète

📖 2. Cellule unité du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité fondamentale structurale et fonctionnelle de tout organisme vivant.
• Homéostasie : Propriété des êtres vivants de maintenir leur milieu interne stable.

📝 Points essentiels

• Un être humain contient environ 100 000 milliards de cellules, soit environ $10^{14}$ cellules.

• Les propriétés émergentes apparaissent lorsqu’une organisation supérieure associe des éléments dont les propriétés individuelles ne suffisent pas à produire la fonction globale.

💡 Astuce mémo

Organisation cellulaire → propriétés émergentes → maintien de l’homéostasie

📖 3. Cellules procaryotes et eucaryotes

★ À maîtriser

📌 Les cellules procaryotes sont anciennes, petites, dépourvues de noyau et d’organites membraneux, tandis que les cellules eucaryotes possèdent un noyau et des organites membraneux.

• Chez les procaryotes, l’ADN se trouve dans une zone nucléoïde constituée d’un chromosome fortement replié, tandis que chez les eucaryotes il se trouve dans le noyau.

Compléments

• Les cellules procaryotes ont une taille d’environ 5 μm et les cellules eucaryotes une taille d’environ 50 μm.

• Les principaux constituants de la cellule eucaryote sont:
  • le noyau
  • le cytoplasme
  • la membrane plasmique

💡 Astuce mémo

Procaryote sans noyau, eucaryote avec noyau

📖 4. ADN, chromosomes et hérédité

🔑 Notions clés & Définitions

• Gène : Programme porté par l’ADN permettant de fabriquer une molécule de protéine.
• Réplication : Dédoublement de l’ADN avant la division cellulaire afin de transmettre l’information génétique aux cellules filles.
• Génome : Ensemble des gènes reçus des parents au moment de la conception.

📝 Points essentiels

• Un chromosome est constitué d’une seule longue molécule d’ADN associée à des protéines et contient des centaines ou des milliers de gènes.

• Le zygote humain reçoit 23 chromosomes du spermatozoïde et 23 chromosomes de l’ovule, soit 46 chromosomes.

💡 Astuce mémo

ADN → gènes → protéines → caractères héréditaires

📖 5. Structure des acides nucléiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléoside : Constitué d’une base azotée liée à un pentose.
• Nucléotide : Constitué d’une base azotée, d’un pentose et d’un acide phosphorique.

★ À maîtriser

• Les deux bases puriques de l’ADN et de l’ARN sont l’adénine et la guanine.

• Les trois bases pyrimidiques sont:

  • la cytosine
  • l’uracile
  • la thymine

Compléments

• L’ATP est une molécule riche en énergie.

💡 Astuce mémo

Nucléoside = base + sucre ; nucléotide = nucléoside + phosphate

📖 6. Double hélice et compaction

★ À maîtriser

• Dans l’ADN, l’adénine s’apparie avec la thymine par deux liaisons hydrogène, tandis que la cytosine s’apparie avec la guanine par trois liaisons hydrogène.

• Les deux brins de l’ADN sont antiparallèles et forment une double hélice dont les bases sont à l’intérieur et les squelettes sucre-phosphate à l’extérieur.

• La forme B de l’ADN possède un pas d’hélice d’environ 3,4 nm, un diamètre d’environ 2,0 nm et environ 10,4 à 10,5 paires de bases par tour.

• 🔄 L’ADN eucaryote se compacte successivement en:
  1. double hélice
  2. nucléosomes
  3. fibre de chromatine de 30 nm
  4. domaines en boucle
  5. fibre de 700 nm
  6. chromosome métaphasique

Compléments

• Le génome haploïde humain contient environ 3 × 10^9 paires de bases réparties sur 23 chromosomes.

💡 Astuce mémo

Double hélice → nucléosome → fibre de 30 nm → boucles → chromosome

📖 7. Réplication de l’ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplication de l’ADN : Synthèse de plusieurs molécules d’ADN à partir d’une molécule parentale afin de transmettre une information génétique conforme à la descendance.

★ À maîtriser

• La réplication est semi-conservative, car chaque molécule fille contient un brin parental et un brin nouvellement synthétisé.

• La réplication est bidirectionnelle à partir de chaque origine de réplication et simultanée au niveau de foyers appelés réplicons.

• 🔄 Les trois étapes principales sont:

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

📌 Le brin avancé est synthétisé continûment dans le sens 5’ vers 3’, tandis que le brin retardé est synthétisé de façon discontinue sous forme de fragments d’Okazaki.

Compléments

• Lors de la maturation du brin retardé, l’ADN polymérase I élimine les amorces d’ARN et les remplace par de l’ADN, puis l’ADN ligase relie les fragments d’Okazaki.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison

📖 8. Transcription et maturation

🔑 Notions clés & Définitions

• Transcription : Transfert de l’information d’un gène porté par l’ADN vers une séquence d’ARN simple brin.

📝 Points essentiels

• L’ARN polymérase synthétise l’ARN dans le sens 5’ vers 3’ à partir de ribonucléotides triphosphates.

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

• Les polymérases eucaryotes produisent:

  • l’ARN polymérase I : les ARN ribosomiques 18S, 5,8S et 28S
  • l’ARN polymérase II : les ARN messagers
  • l’ARN polymérase III : les ARN de transfert, l’ARNr 5S et les petits ARN

• 🔄 La maturation du pré-ARNm comprend:

  1. la formation d’une coiffe 5’
  2. l’ajout d’une queue polyA 3’
  3. l’épissage des introns

💡 Astuce mémo

Promoteur → transcription → coiffe → queue polyA → épissage

📖 9. Traduction et code génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Traduction : Passage de l’information d’un ARN, constitué de quatre nucléotides, à une protéine constituée de vingt acides aminés selon le code génétique.

★ À maîtriser

• La traduction nécessite: un ARNm porteur de l’information, un ribosome qui assemble les acides aminés, des ARNt qui transportent les acides aminés jusqu’au ribosome

• Un codon est un groupe de trois bases de l’ARNm lu dans le sens 5’ vers 3’, sans chevauchement ni espace. — Sydney Brenner et Francis Crick, 1960

📐 Formule — Avec quatre bases azotées et des codons de trois bases, le code génétique offre $4^3 = 64$ combinaisons pour coder vingt acides aminés.

Compléments

• Les ribosomes sont les sites de la traduction et comprennent une petite sous-unité 30S et une grande sous-unité 50S.

💡 Astuce mémo

ARNm lu par le ribosome → acides aminés assemblés → protéine

📖 10. Code génétique et traduction

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

📐 Formule — Trois bases permettent $4^3 = 64$ combinaisons de codons, pour coder les 20 acides aminés.

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

Compléments

• L’alphabet de l’ARNm comprend les quatre nucléotides A, U, G et C, tandis que les protéines comprennent 20 acides aminés.

💡 Astuce mémo

ARNm → ribosome → ARNt → protéine

📖 11. Acteurs moléculaires de la traduction

🔑 Notions clés & Définitions

• ARNt : Petit ARN monocaténaire d’environ 70 nucléotides qui relie les acides aminés aux codons de l’ARNm grâce à un site de fixation de l’acide aminé et à un anticodon.

📝 Points essentiels

• Les ribosomes sont les sites de la traduction et possèdent une petite sous-unité 30S et une grande sous-unité 50S.

• Le site P fixe l’ARNt lié à l’extrémité croissante de la chaîne polypeptidique, tandis que le site A fixe l’ARNt entrant chargé d’un acide aminé.

• La fixation d’un acide aminé spécifique sur un ARNt se déroule en deux étapes catalysées par une aminoacyl-ARNt synthétase : activation de l’acide aminé avec l’ATP, puis transfert sur l’ARNt.

💡 Astuce mémo

Site A accueille, site P porte la chaîne

📖 12. Étapes de la traduction bactérienne

★ À maîtriser

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

• Lors de l’initiation, le Shine-Dalgarno s’apparie à l’ARNr 16S, l’ARNt-fMet se fixe au complexe 30S-ARNm, puis l’hydrolyse du GTP permet l’association de la sous-unité 50S et la formation du ribosome 70S.

• Lors de l’élongation, un aminoacyl-ARNt entre au site A, une liaison peptidique se forme, le peptidyl-ARNt passe du site A au site P et le ribosome se transloque d’un codon vers 3’.

📌 RF1 reconnaît les codons stop UAA et UAG, tandis que RF2 reconnaît UAA et UGA, et l’hydrolyse du GTP permet la dissociation du complexe de terminaison.

Compléments

• Les facteurs EFT et EFG participent respectivement à la fixation de l’aminoacyl-ARNt au site A et à la translocation, avec consommation de GTP.

💡 Astuce mémo

Initiation → élongation → terminaison

📖 13. Noyau et échanges nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau : Structure des cellules eucaryotes qui contient l’essentiel de l’ADN 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 masse inférieure à 50 kDa et le transport actif des molécules de masse supérieure à 50 kDa.

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

Compléments

• L’enveloppe nucléaire comprend deux membranes séparées par un espace périnucléaire de 30 nm et interrompues par des pores nucléaires.

• Le nucléole assure la transcription et la maturation des ARNr 5.8S, 18S et 28S ainsi que la première étape d’assemblage des sous-unités ribosomiques.

💡 Astuce mémo

Euchromatine claire et active, hétérochromatine sombre et inactive

📖 14. Réticulum endoplasmique

★ À maîtriser

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

• Le RER dirige l’adressage des protéines par un peptide signal, leur translocation dans sa lumière, leur maturation et le contrôle de leur conformité avant leur départ en vésicules.

📌 La N-glycosylation transfère un oligosaccharide préassemblé sur le dolichol vers l’azote d’une asparagine de la séquence Asn–X–Ser/Thr.

Compléments

• Le réticulum endoplasmique représente 20 à 50 % des membranes cellulaires et peut occuper jusqu’à 10 % du volume cellulaire.

💡 Astuce mémo

Adressage → translocation → maturation → contrôle

📖 15. Appareil de Golgi

🔑 Notions clés & Définitions

• Appareil de Golgi : Organite polymorphe constitué de dictyosomes, de vésicules et de canalicules qui reçoit, modifie, concentre et trie les produits du réticulum endoplasmique.

★ À maîtriser

• Dans l’appareil de Golgi, les produits progressent de la face cis vers les citernes médianes puis vers la face trans, où ils sont concentrés et orientés vers leur destination.

• Le réseau trans-golgien assure trois voies principales:

  • Sécrétion constitutive
  • Sécrétion régulée
  • Voie lysosomale portant le signal mannose-6-phosphate

Compléments

• Le Golgi modifie les protéines par remodelage des N-glycanes, ajout d’O-glycanes sur la sérine ou la thréonine, sulfation, phosphorylation du mannose et maturation protéolytique.

💡 Astuce mémo

Cis → médian → trans

📖 16. Lysosomes et peroxysomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Lysosome : Organite de 0,2 à 0,5 μm spécialisé dans la digestion intracellulaire grâce à des hydrolases acides fonctionnant à un pH compris entre 4,5 et 5.

★ À maîtriser

📐 Formule — Dans les peroxysomes, l’oxydation d’un substrat s’écrit $RH_2 + O_2 \rightarrow R + H_2O_2$, puis la catalase peut réaliser $H_2O_2 + R'H_2 \rightarrow R' + 2H_2O$.

Compléments

• Les lysosomes contiennent notamment:

  • Protéases
  • Nucléases
  • Glycosidases
  • Lipases
  • Phospholipases
  • Phosphatases
  • Sulfatases

• Les peroxysomes sont des organites sphériques 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.

💡 Astuce mémo

Lysosome hydrolyse, peroxysome oxyde

📖 17. Structure et rôle mitochondrial

🔑 Notions clés & Définitions

• Mitochondrie : Organite entouré de deux membranes dont la membrane interne forme des crêtes et contient la chaîne respiratoire et l’ATP synthase.

★ À maîtriser

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

Compléments

• La mitochondrie contient plusieurs copies identiques de son ADN ainsi que les protéines nécessaires à la transcription et à la traduction de ses ARNm.

💡 Astuce mémo

Deux membranes entourent des crêtes et une matrice énergétique

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des cellules

Réplication et transcription