Fiche de révision : Cellules, microorganismes et virus

📋 Plan du Cours

1. Origines de la microbiologie
2. Microorganismes et formes virales
3. Structure et classification des virus
4. Vie, cellules et mobilité bactérienne
5. Structures cellulaires, parois bactériennes et coloration de Gram
6. Composition chimique, lipides et phospholipides cellulaires
7. Acides nucléiques et ADN
8. Les protéines et leurs fonctions
9. Reproduction et expression génétique
10. Bases du métabolisme cellulaire
11. Respiration, fermentation et ATP
12. Photosynthèse microbienne
13. Origines et évolution du métabolisme
14. Origine des eucaryotes, preuves et types d’endosymbiose
15. Phylogénie et classification du vivant

📅 Repères chronologiques

1. 1668Francesco Redi démontre que les asticots proviennent des mouches et non de la viande.
2. 1676Antoine Van Leeuwenhoek communique à la Royal Society de Londres ses observations microscopiques d’« animalcules » mobiles.
3. 1861Pasteur confirme l’hypothèse de la biogenèse.

📖 1. Origines de la microbiologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Génération spontanée : Apparition d’un être vivant à partir de matière non vivante ou en décomposition.

★ À maîtriser

• Dans l’expérience de Redi, le pot avec viande accessible aux mouches contient des larves, tandis que les pots isolant la viande des mouches ou leur interdisant l’accès n’en contiennent pas, bien que la putréfaction due aux microorganismes ait lieu.

Compléments

• Lucrèce (98-55 av. J.-C.) a suggéré que des organismes vivants invisibles étaient responsables de certaines maladies.

• L’idée de génération spontanée est définitivement abandonnée à la fin du 19ᵉ siècle.

💡 Astuce mémo

Viande accessible aux mouches : larves ; viande protégée : pas de larves.

📖 2. Microorganismes et formes virales

🔑 Notions clés & Définitions

• Microorganisme : Organisme vivant invisible à l’œil nu, de taille inférieure à 0,2 mm et dépourvu de tissus organisés.
• Procaryote : Organisme unicellulaire sans noyau, comme les bactéries et les archées.
• Eucaryote : Organisme unicellulaire ou pluricellulaire contenant un noyau et des organites intracellulaires.
• Virus : Parasite intracellulaire obligatoire, incapable de se multiplier seul par division et utilisant une cellule hôte.

★ À maîtriser

• Certains eucaryotes sont des microorganismes et tous les procaryotes en font partie.

📌 Le virion est la forme extracellulaire inerte du virus, constituée d’un acide nucléique (ADN ou ARN) entouré d’une capside protéique, tandis que la forme intracellulaire initie la réplication virale et la synthèse de copies du génome et des composants de la capside.

Compléments

• Les microorganismes sont présents notamment :

  • dans les nuages
  • sous le plancher océanique
  • dans le corps humain
  • dans les aliments

• Les microorganismes sont le plus souvent utiles à la santé humaine et aux écosystèmes et jouent un rôle prépondérant dans tous les environnements.

• Les cellules procaryotes constituent la majorité de la biomasse terrestre.

• Un virus bactérien est appelé bactériophage ou phage.

• Les virus ont généralement un spectre d’hôte très restreint en raison de récepteurs spécifiques.

• Les virions peuvent être libérés par lyse cellulaire ou après intégration du génome viral à celui de l’hôte.

📖 3. Structure et classification des virus

🔑 Notions clés & Définitions

• Capside : Structure toujours présente, composée de capsomères protéiques.
• Nucléocapside : Complexe formé par l’acide nucléique et les protéines du virus.

★ À maîtriser

• 🔄 Le cycle d’infection virale comprend :

  1. Adsorption du virion sur la cellule hôte
  2. Injection du virion ou de son acide nucléique dans la cellule hôte
  3. Détournement de la machinerie cellulaire pour produire des enzymes virales
  4. Réplication de l’acide nucléique viral
  5. Synthèse et assemblage des protéines de la capside et empaquetage de l’acide nucléique
  6. Libération des virions matures hors de la cellule hôte

• Un virion contient de l’ADN ou de l’ARN, jamais les deux simultanément.

Compléments

• Les virus sont classés selon la nature de l’acide nucléique présent dans le virion.

• La classification virale prend en compte : la nature de l’hôte (animal, végétal, insecte…), les caractéristiques de l’acide nucléique (ADN ou ARN, simple ou double brin), la symétrie de la capside (icosaédrique, hélicoïdale…), la présence ou l’absence d’une enveloppe et la sensibilité à l’éther, les propriétés immunologiques, le site intracellulaire de multiplication, les maladies engendrées, les caractéristiques cliniques et le mode de transmission

• La taille des virus s’étend de 20 nm, celle des ribosomes, à 300 nm, celle des plus petites bactéries.

• Les virus peuvent être :

  • Icosaédriques, à faces triangulaires et d’apparence sphérique en microscopie électronique
  • Hélicoïdaux, en cylindre protéique
  • Enveloppés, avec une membrane entourant la nucléocapside
  • Nus, sans membrane
  • Complexes, comme les virus bactériens à tête icosaédrique et queue hélicoïdale

• Les enveloppes virales sont des bicouches lipidiques avec des glycoprotéines et rendent les virus plus sensibles aux solvants, notamment l’éther et les détergents.

• Les virus ont une organisation simple et acellulaire et sont incapables de se répliquer en dehors des cellules.

📖 4. Vie, cellules et mobilité bactérienne

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité fondamentale de la vie qui sépare l’environnement du milieu intracellulaire et contient des structures internes et des composés chimiques.
• Vie selon Bichat : Xavier Bichat, 1771-1802 - « La vie est l’ensemble des fonctions qui résistent à la mort. »
• Vie selon Monod : Jacques Monod, 1910-1976 - Propriété des objets dotés d’un projet (fonction), construits de l’intérieur et capables de reproduction.

★ À maîtriser

• Le métabolisme d’un organisme vivant implique le prélèvement de nutriments et le rejet de déchets, ce qui en fait un système ouvert.

• La reproduction et la croissance forment de nouvelles cellules à partir d’éléments chimiques de l’environnement sous la conduite de cellules préexistantes.

• Une cellule est isolée des autres cellules par une membrane cellulaire, aussi appelée membrane cytoplasmique, qui la sépare de l’environnement extérieur.

• Les cellules procaryotes mesurent 1–10 μm et sont dépourvues de noyau, tandis que les cellules eucaryotes mesurent 10–100 μm et possèdent un noyau.

• La mobilité bactérienne peut être :

  • Monotriche : un flagelle unique
  • Lophotriche : une touffe de flagelles à un pôle
  • Amphitriche : un flagelle ou une touffe de flagelles à chaque pôle
  • Péritriche : des flagelles répartis sur toute la surface
  • Immobile : absence de flagelles

Compléments

• La différenciation forme de nouvelles structures appartenant au cycle cellulaire, comme une spore.

• La communication des organismes vivants repose sur des échanges de molécules chimiques.

• Le mouvement autonome est souvent présent chez les organismes vivants, mais le mouvement et la différenciation ne sont pas toujours présents.

• L’évolution implique la transmission et la variation génétiques au fil du temps et peut être représentée par un arbre phylogénétique.

• La cellule est une entité dynamique qui communique et échange du matériel avec son environnement.

📌 La taille suit l’ordre croissant virus < procaryote < eucaryote.

• Les procaryotes sont invisibles à l’œil nu, mais leur accumulation en colonies, comme chez les bactéries, est visible.

• Les procaryotes peuvent être observés au microscope optique en coloration ou à l’état frais, et au microscope électronique pour examiner finement les membranes, les parois et les virus.

📖 5. Structures cellulaires, parois bactériennes et coloration de Gram

★ À maîtriser

• Le noyau eucaryote est entouré d’une membrane percée de pores permettant la sortie de l’ARNm et contient un nucléole.

• La cellule procaryote ne possède pas de noyau, mais son ADN condensé forme un nucléoïde non entouré d’une membrane.

📌 La paroi Gram positif possède une épaisse couche de peptidoglycane au-dessus de la membrane cytoplasmique, tandis que la paroi Gram négatif possède une fine couche de peptidoglycane entre une membrane cytoplasmique interne et une membrane externe.

• La coloration de Gram distingue les bactéries selon le type de paroi en les fixant sur une lame, en les colorant au cristal violet, en fixant ce colorant avec de l’iode, en décolorant à l’alcool, puis en appliquant la safranine.

📌 Après la décoloration à l’alcool, les bactéries Gram positif restent violettes car leur épaisse couche de peptidoglycane retient le cristal violet, tandis que les bactéries Gram négatif deviennent incolores car leur fine couche le laisse s’échapper.

• La safranine colore en rose les bactéries Gram négatif devenues incolores après l’alcool, tandis que les bactéries Gram positif restent violettes.

Compléments

• Les mitochondries assurent la respiration cellulaire.

• L’appareil de Golgi assure des modifications post-traductionnelles des protéines.

• Le réticulum endoplasmique rugueux (RER), avec ses ribosomes, participe à la synthèse des protéines.

• Les centrioles sont impliqués dans la division cellulaire et les lysosomes contiennent des enzymes de dégradation.

• Les procaryotes possèdent des ribosomes libres dans le cytoplasme, des plasmides d’ADN circulaire supplémentaire et des inclusions servant de réserves de nutriments ou de composés.

• Le cytoplasme procaryote est entouré d’une membrane cytoplasmique phospholipidique, elle-même entourée d’une paroi.

• Pendant la décoloration, l’alcool crée des pores dans la membrane et resserre le réseau de peptidoglycane.

💡 Astuce mémo

Noyau chez l’eucaryote ; nucléoïde sans membrane chez le procaryote.

📖 6. Composition chimique, lipides et phospholipides cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Molécule amphiphile : Possède à la fois une partie hydrophile et une partie hydrophobe.

★ À maîtriser

• Les bactéries sont constituées de 70 à 90 % d’eau en poids total, tandis que le carbone et l’oxygène dominent dans leur matière sèche.

• Les macro-éléments C, H, O, N, S et P sont apportés à raison d’environ g/L et entrent dans la composition des glucides, lipides, protéines et acides nucléiques.

• Les protéines représentent environ 55 % du poids sec et sont présentes dans le cytoplasme, la membrane, la paroi et les flagelles.

• 🔄 Les étapes du codage génétique sont :

  1. Réplication de l’ADN lors de la division cellulaire.
  2. Transcription de l’ADN en ARN.
  3. Traduction de l’ARN en acides aminés pour synthétiser des protéines.

📌 Les lipides de Bacteria et Eukarya sont constitués d’acides gras, tandis que ceux d’Archaea sont constitués de phytanyl.

• Les phospholipides sont formés de deux acides gras liés à un glycérol et d’un groupement phosphate lié à un groupement éthanolamine à la place du troisième acide gras.

📌 Un phospholipide présente une queue hydrophobe constituée d’une chaîne carbonée et une tête polaire hydrophile.

• La membrane plasmique est constituée d’une bicouche de phospholipides.

📌 Selon Lehninger (1981), les glucides sont classés selon leur degré de polymérisation en monosaccharides, oligosaccharides de 2 à 10 oses et polysaccharides formés de nombreuses unités monosaccharidiques.

Compléments

• Les éléments secondaires K, Ca, Mg et Fe sont requis à raison de mg/L dans le milieu de culture.

• Les oligo-éléments et leurs rôles cités sont :

  • Mn dans la superoxyde dismutase
  • Zn dans l’ADN polymérase
  • Co dans la vitamine B12
  • Mo dans la nitrate réductase
  • Ni dans l’hydrogénase
  • Cu comme cofacteur d’enzymes

• Les acides nucléiques représentent environ 24 % du poids sec, sous forme d’ADN dans le nucléoïde et d’ARN dans les ribosomes.

• Les polysaccharides représentent environ 5 % du poids sec, dont environ 3 % pour le glycogène, et se trouvent notamment dans les parois.

• Les lipides représentent environ 9 % du poids sec et sont surtout des phospholipides constituant la membrane plasmique.

📌 Les lipides simples sont des acides gras liés au glycérol par une liaison ester, tandis que les lipides complexes associent des lipides simples à des éléments additionnels comme le phosphore, l’azote, le soufre ou des sucres.

💡 Astuce mémo

Les phospholipides ont une tête hydrophile et une queue hydrophobe.

📖 7. Acides nucléiques et ADN

🔑 Notions clés & Définitions

• ARN : Habituellement une molécule monocaténaire constituée d’une seule chaîne polynucléotidique.
• Ribozyme : ARN doté d’une activité enzymatique, comme l’ARNr qui catalyse directement la synthèse protéique.

★ À maîtriser

• Le chromosome bactérien, constitué d’ADN et localisé dans le nucléoïde, contient la majorité de l’information génétique ; son ADN est le plus souvent circulaire, mais peut être linéaire.

📌 Un nucléoside est constitué d’une base azotée et d’un sucre, tandis qu’un nucléotide comprend en plus un groupement phosphate.

• Les bases pyrimidiques à un cycle sont la cytosine (C), la thymine (T, uniquement dans l’ADN) et l’uracile (U, uniquement dans l’ARN), tandis que les bases puriques à deux cycles sont l’adénine (A) et la guanine (G).

• Les appariements complémentaires sont A–T dans l’ADN, A–U dans l’ARN et C–G.

📌 L’ADN est constitué de deux chaînes polynucléotidiques en double hélice, dont les brins complémentaires sont antiparallèles et orientés respectivement 3′→5′ et 5′→3′.

📌 Par rapport à l’ADN, l’ARN contient du ribose plutôt que du désoxyribose, utilise l’uracile à la place de la thymine et est généralement simple brin.

• Les trois types principaux d’ARN ont des rôles distincts :

  • L’ARNm sert de matrice pour la traduction.
  • L’ARNt apporte les acides aminés au ribosome.
  • L’ARNr entre dans la composition des ribosomes et participe à la synthèse protéique.

• Le ribosome procaryote complet est formé d’une grande sous-unité 50S et d’une petite sous-unité 30S, et son coefficient de sédimentation est 70S.

• L’unité Svedberg (S) caractérise la vitesse de sédimentation lors d’une centrifugation et n’est pas additive : 50S plus 30S forment un ribosome 70S, et non 80S.

Compléments

• Les bactéries et les archées possèdent généralement un seul chromosome, mais certaines espèces peuvent en avoir plusieurs.

• Les nucléotides peuvent porter un, deux ou trois groupements phosphate et sont alors appelés monophosphates, diphosphates ou triphosphates.

• Les nucléotides sont reliés entre eux par des liaisons covalentes phosphodiester.

• Dans l’ADN, une liaison phosphodiester relie le carbone 3′ d’un sucre au carbone 5′ du sucre suivant ; lors de l’élongation, elle se forme par réaction du groupe hydroxyle en 3′ avec le phosphate α du désoxyribonucléotide triphosphate entrant, avec libération de pyrophosphate.

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

📖 8. Les protéines et leurs fonctions

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine : Polymère d’acides aminés reliés par des liaisons covalentes peptidiques.

★ À maîtriser

• Les protéines présentent quatre niveaux de structure :

  • Structure primaire : séquence linéaire d’acides aminés.
  • Structure secondaire : repliements locaux en hélices α ou feuillets β.
  • Structure tertiaire : organisation tridimensionnelle complète.
  • Structure quaternaire : assemblage de plusieurs chaînes polypeptidiques.

• Les fonctions des protéines comprennent le maintien structural de la cellule, la catalyse enzymatique, le transport, la communication, la défense et la réserve d’acides aminés.

• La fonction d’une protéine dépend directement de sa structure tridimensionnelle, appelée conformation.

Compléments

• Les protéines représentent environ 55 % du poids sec de la cellule.

• Les hélices α et les feuillets β de la structure secondaire sont stabilisés par des liaisons hydrogène.

• La structure tertiaire résulte notamment de :

  • liaisons hydrogène
  • interactions hydrophobes
  • liaisons ioniques
  • ponts disulfure

• La structure tertiaire définit notamment :

  • les sites actifs
  • les cavités
  • les surfaces de liaison

📖 9. Reproduction et expression génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytoparité : Mode de reproduction asexué des bactéries qui produit deux cellules filles génétiquement identiques à la cellule mère, sauf mutation.
• Polysome : Ensemble de plusieurs ribosomes fixés simultanément sur un même ARNm.
• Génome : Ensemble du matériel génétique contenu dans une cellule.

★ À maîtriser

• 🔄 La réplication semi-conservative se déroule ainsi :

  1. L’ADN double brin s’ouvre.
  2. Chaque brin sert de matrice à la synthèse d’un nouveau brin complémentaire.
  3. Deux molécules filles se forment, chacune composée d’un brin ancien et d’un brin nouvellement synthétisé.

• Lors de la transcription, le brin non codant de l’ADN sert de matrice pour produire un ARNm identique au brin codant, sauf que les thymine sont remplacées par des uraciles.

• Les ribosomes traduisent l’ARNm en lisant trois bases à la fois pour former des codons, chacun correspondant à un acide aminé.

• Chez les bactéries, l’absence de noyau permet aux ribosomes de commencer la traduction d’un ARNm dès qu’il est en cours de synthèse, avant la fin de sa transcription.

📌 Le code génétique associe les codons, lus par triplets, à des acides aminés, sauf les trois codons stop qui marquent la fin de la traduction ; la plupart des acides aminés sont codés par plusieurs codons.

Compléments

• La réplication de l’ADN est assurée par l’ADN polymérase.

• Des mutations ponctuelles peuvent survenir lors de la réplication et être transmises aux cellules filles.

• Une mutation silencieuse modifie un triplet de bases sans changer l’acide aminé codé, comme UAU → UAC pour la tyrosine, et n’a aucune conséquence fonctionnelle.

• Une mutation non-sens transforme un codon codant en codon stop, provoquant l’arrêt prématuré de la traduction et la production d’une protéine incomplète et non fonctionnelle.

• Une mutation faux-sens transforme un codon en un autre codant pour un acide aminé différent, ce qui peut modifier la protéine et lui faire perdre sa fonction.

• Vingt acides aminés différents permettent la formation des protéines.

• Le chromosome d’Escherichia coli contient environ 4,7 millions de paires de bases, contre 3 400 millions de paires de bases chez l’Homme.

• Environ 70 % du génome bactérien est codant, contre 3 % du génome humain.

💡 Astuce mémo

ADN répliqué → transcrit en ARNm → traduit en protéine

📖 10. Bases du métabolisme cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolisme : Ensemble des réactions chimiques intracellulaires.
• Lysozyme : Enzyme naturellement sécrétée qui scinde le peptidoglycane constituant des parois bactériennes.

★ À maîtriser

📌 L’anabolisme regroupe les réactions de biosynthèse qui nécessitent de l’énergie, tandis que le catabolisme regroupe les réactions qui produisent de l’énergie.

• Toute cellule a besoin d’une source de carbone, qui peut être du CO₂ inorganique chez les autotrophes ou du glucose et d’autres molécules organiques chez les hétérotrophes.

📌 Les bactéries utilisent comme source d’énergie la lumière chez les phototrophes ou des composés chimiques oxydés chez les chimiotrophes, organiques chez les chimio-organotrophes et inorganiques chez les chimio-lithotrophes.

• Les bactéries aérobies utilisent O₂ comme accepteur terminal d’électrons, tandis que les bactéries anaérobies peuvent utiliser NO₃⁻, SO₄²⁻ ou Fe³⁺.

📌 Les autotrophes utilisent le CO₂ comme source de carbone, tandis que les hétérotrophes utilisent des composés organiques comme le glucose.

Compléments

• L’oxydation est une réaction au cours de laquelle une molécule cède des électrons.

• La réduction est une réaction au cours de laquelle une molécule gagne des électrons.

• L’oxydation mobilise un substrat, une enzyme et un transporteur d’électrons tel que NAD⁺/NADH ; l’enzyme positionne le substrat sur son site actif et le transporteur récupère les électrons.

• Le catabolisme peut produire de l’énergie par oxydation de composés organiques ou inorganiques ; la photosynthèse permet de convertir l’énergie lumineuse en énergie chimique.

• Les bactéries peuvent changer d’accepteur terminal d’électrons selon les conditions environnementales.

💡 Astuce mémo

Anabolisme construit ; catabolisme libère de l’énergie

📖 11. Respiration, fermentation et ATP

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel rédox : Caractérise la tendance d’une substance à être oxydée ou réduite.
• Phosphorylation au niveau du substrat : La phosphorylation au niveau du substrat génère directement de l’ATP grâce au transfert d’un groupement phosphate provenant d’une molécule intermédiaire du métabolisme, notamment lors de la fermentation.

★ À maîtriser

📌 La respiration utilise un accepteur final d’électrons, alors que la fermentation ne crée pas de gradient de protons et produit l’ATP par phosphorylation au niveau du substrat sur des composés organiques.

• Le transfert d’électrons via la membrane plasmique génère un gradient électrochimique de protons, appelé force proton-motrice, qui permet à l’ATP synthase de produire de l’ATP.

Compléments

• Chez les phototrophes, la lumière génère un gradient de protons par photophosphorylation.

• Le transfert d’électrons d’un donneur vers un accepteur libère de l’énergie, et cette énergie augmente avec la distance entre les deux couples dans le tour des électrons.

• Dans le tour des électrons, les couples rédox sont ordonnés du plus électronégatif en haut au plus électropositif en bas, et les couples intermédiaires peuvent agir comme donneurs ou accepteurs selon les réactions.

• H₂ et le glucose sont d’excellents donneurs d’électrons, tandis que O₂ est un excellent accepteur.

• L’ATP synthase comprend une partie F₀ formant le canal membranaire et une partie F₁ constituant l’unité catalytique qui produit l’ATP.

• L’hydrolyse de l’ATP en ADP + Pi libère environ 30 kJ/mol d’énergie, et l’ATP constitue la monnaie énergétique universelle de la cellule.

📖 12. Photosynthèse microbienne

★ À maîtriser

📌 Les phototrophes utilisent la lumière comme source d’énergie ; les photoautotrophes, comme les cyanobactéries, utilisent aussi le CO₂ comme source de carbone, tandis que les photohétérotrophes, comme les bactéries pourpres non sulfureuses, utilisent une source de carbone organique.

📌 La photosynthèse oxygénique utilise H₂O comme source d’électrons et libère O₂, tandis que la photosynthèse anoxygénique utilise H₂S, H₂ ou un autre composé réducteur et ne produit pas d’O₂.

Compléments

• La chlorophylle est le pigment principal de la photosynthèse oxygénique, tandis que la bactériochlorophylle intervient dans la photosynthèse anoxygénique.

• La photosynthèse oxygénique produit du NADPH par réduction du NADP⁺ grâce au transport photosynthétique des électrons, tandis que le pouvoir réducteur de la photosynthèse anoxygénique dépend du donneur d’électrons.

• Chez les phototrophes, le transport des électrons est cyclique, tandis qu’il est non cyclique chez les chimiotrophes.

📐 Formule - La réaction globale de la photosynthèse oxygénique est $12H_2O + 6CO_2 + lumière \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 6H_2O$.

💡 Astuce mémo

Oxygénique : l’eau donne des électrons et libère O₂ ; anoxygénique : pas d’O₂.

📖 13. Origines et évolution du métabolisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytochromes : Coenzymes intermédiaires des chaînes respiratoires qui transfèrent des électrons grâce à des réactions d’oxydation et de réduction.

★ À maîtriser

• Les premiers procaryotes étaient anaérobies, et la photosynthèse anoxygénique est considérée comme plus ancienne que la photosynthèse oxygénique.

• Il y a environ 2,4 milliards d’années, les cyanobactéries ont provoqué la crise de l’oxygène par leur photosynthèse oxygénique.

• Selon l’hypothèse du monde à ARN, l’ARN serait apparu avant l’ADN et aurait cumulé une fonction catalytique grâce aux ribozymes et une fonction génétique de support de l’information.

📌 La photosynthèse anoxygénique utilise des bactériochlorophylles, analogues aux cytochromes, dont l’atome de fer est remplacé par un atome de magnésium.

• La photosynthèse oxygénique utilise des chlorophylles et libère du dioxygène (O₂) à partir de l’eau.

• 🔄 L’évolution des métabolismes énergétiques suit cette succession :

  1. Respiration anaérobie
  2. Photosynthèse anoxygénique
  3. Photosynthèse oxygénique
  4. Respiration aérobie

• Vers 2,4 Ga, l’essor des cyanobactéries provoque la Grande Oxydation, associée à la photosynthèse oxygénique et à la libération d’O₂.

Compléments

• L’augmentation de l’oxygène a favorisé : le passage de la respiration anaérobie à une respiration aérobie plus efficace, la formation du bouclier d’ozone, qui protège la Terre des rayons UV, l’accélération de l’évolution biologique

• En 1953, Stanley Miller a recréé en laboratoire des conditions de la Terre primitive et montré que des biomolécules pouvaient se former spontanément dans une atmosphère réduite soumise à des décharges électriques. - Expérience de Miller

• L’expérience de Miller a produit spontanément (Stanley Miller, 1953) :

  • des sucres
  • des acides aminés
  • des nucléotides

• Dans l’hypothèse du monde à ARN, l’AMP composé d’adénine, de ribose et d’un groupement phosphate se polymérise en chaînes polyA, puis l’insertion des bases C, U et G permet la formation d’un ARN primitif.

• L’instabilité du site actif de l’ARN à haute température limite l’hypothèse d’un monde à ARN dans un environnement primordial chaud.

• 🔄 Le scénario proposé conduit des ARN primitifs aux cellules : des ribozymes favorisent la formation d’ARN et de peptides plus longs, la transcriptase inverse transforme un brin d’ARN en ADN double brin plus stable, des vésicules d’acides gras encapsulent des ARN autoréplicatifs

📌 L’expérience de Miller a produit un mélange racémique contenant autant d’énantiomères L que D, alors que les êtres vivants utilisent des acides aminés de forme L et des sucres de forme D dans l’ADN et l’ARN.

• LUCA aurait été un hyperthermophile probablement doté d’ADN, plus stable à haute température que l’ARN, et aurait vécu près de sources hydrothermales avant de migrer vers des zones moins chaudes.

💡 Astuce mémo

Respiration anaérobie → photosynthèse anoxygénique → photosynthèse oxygénique → respiration aérobie.

📖 14. Origine des eucaryotes, preuves et types d’endosymbiose

★ À maîtriser

• La théorie de l’endosymbiose de Lynn Margulis et Taylor (1979) explique notamment l’origine des organites des cellules eucaryotes.

• Selon la théorie endosymbiotique, un procaryote ancestral ayant perdu sa paroi aurait acquis la phagocytose, puis certaines cellules auraient établi une symbiose avec des bactéries aérobies, devenues des mitochondries. - Lynn Margulis et Taylor, 1979

• Un eucaryote primitif à noyau aurait phagocyté une cyanobactérie photosynthétique, dont la symbiose stable aurait donné naissance aux chloroplastes. - Lynn Margulis et Taylor, 1979

• Les mitochondries et les chloroplastes contiennent leur propre ADN et des ribosomes, ce qui soutient leur origine procaryote.

📌 L’endosymbiose est primaire lorsque la cellule hôte est procaryote et secondaire lorsque la cellule hôte est déjà eucaryote.

Compléments

• Les mitochondries possèdent :

  • Deux membranes
  • Un ADN circulaire
  • Un système de transcription et de traduction proche de celui des bactéries

• L’acquisition des chloroplastes par endosymbiose aurait eu lieu entre 1,2 et 1,5 milliards d’années avant notre ère.

• L’ADN du chloroplaste est circulaire, non associé à des histones et code une partie des protéines chloroplastiques.

• Le chloroplaste est semi-autonome : une partie de ses protéines est synthétisée en son sein grâce à des ribosomes présentant de fortes analogies avec ceux des bactéries.

📌 Tout plaste provient d’un plaste préexistant ; une cellule sans plaste donne donc des cellules filles sans plaste.

• La division des chloroplastes suit un rythme indépendant de la division du noyau.

• Les plantes vertes possèdent de la chlorophylle b, tandis que les cyanobactéries décrites dans l’hypothèse initiale ne possèdent que de la chlorophylle a et des phycobilines.

• Les prochlorophytes possèdent les chlorophylles a et b, mais Prochloron, Prochlorothrix et Prochlorococcus ne sont pas les ancêtres directs des chloroplastes ; ils semblent partager avec eux et les cyanobactéries un ancêtre commun.

📖 15. Phylogénie et classification du vivant

★ À maîtriser

• Carl Woese a révélé le domaine des Archées grâce à l’étude de l’ARNr 16S, bouleversant la classification traditionnelle du vivant en deux règnes.

• Les distances évolutives peuvent être estimées en comparant des séquences homologues ; le nombre de différences observées est proportionnel aux mutations stables accumulées depuis l’ancêtre commun.

📌 L’arbre du vivant montre une divergence précoce entre les Bactéries et les deux autres domaines, les Archées et les Eucaryotes.

Compléments

• L’ARNr 16S des procaryotes compte environ 1 500 nucléotides, tandis que l’ARNr 18S des eucaryotes en compte environ 1 900.

• Le gène ARNr 16S présente plusieurs propriétés :

  • Il est ubiquitaire
  • Il évolue lentement
  • Il possède des régions conservées et variables
  • Il subit peu de transferts latéraux
  • Des milliers de séquences sont disponibles dans les bases de données

• La taxonomie étudie, décrit et classe les organismes, tandis que la nomenclature fixe les règles d’attribution des noms scientifiques.

📌 Dans la nomenclature binomiale introduite par Carl von Linné, une espèce porte deux noms latins : le nom de genre commence par une majuscule et l’épithète spécifique s’écrit en minuscules.

📊 Tableaux de synthèse

Photosynthèses oxygénique et anoxygénique