Fiche de révision : Diversité des procaryotes

📋 Plan du Cours

1. Microorganismes et procaryotes
2. Virus et réplication virale
3. Structure et classification virales
4. Cellule et organisation bactérienne
5. Constituants et macromolécules
6. Acides nucléiques et ribosomes
7. Protéines et fonctions cellulaires
8. Expression génétique et mutations
9. Métabolisme et oxydo-réduction
10. Transferts d’électrons et énergie
11. Sources cellulaires d’ATP
12. Photosynthèse et autotrophie
13. Origine de la vie et ARN
14. Évolution des métabolismes
15. Endosymbiose et eucaryotes
16. Phylogénie et chronomètres moléculaires
17. Différences entre les trois domaines

📅 Repères chronologiques

1. 98-55 av J.CLucrèce a suggéré que des organismes vivants invisibles provoquaient des maladies
2. 1668Francesco Redi a démontré que les asticots provenaient des mouches et non de la viande
3. 1676Antonie van Leeuwenhoek a observé et décrit au microscope les premiers organismes nommés animalcules
4. 1861Pasteur a confirmé l’hypothèse de la biogenèse avec un milieu nutritif stérile placé dans une ampoule à col de cygne

📖 1. Microorganismes et procaryotes

🔑 Notions clés & Définitions

• Microorganisme : organisme vivant invisible à l’œil nu, mesurant moins de 0,2 mm
• Procaryote : organisme unicellulaire dépourvu de noyau, comme une bactérie ou une archée
• Eucaryote : organisme unicellulaire ou pluricellulaire contenant un noyau et des organites intracellulaires

📝 Points essentiels

• Les bactéries constituent 13 % du carbone terrestre.

💡 Astuce mémo

Procaryote sans noyau, eucaryote avec noyau

📖 2. Virus et réplication virale

🔑 Notions clés & Définitions

• Virus : élément génétique mobile incapable de se multiplier seul par division et qui doit utiliser une cellule hôte comme parasite intracellulaire obligatoire

★ À maîtriser

📌 Hors d’une cellule, le virus existe comme virion métaboliquement inerte ; dans une cellule, il initie la réplication de son génome et la synthèse de ses composants.

• 🔄 La réplication d’un virus comprend: l’adsorption, l’injection, le détournement de la machinerie de biosynthèse, la réplication de l’acide nucléique, la synthèse et l’assemblage de la capside, la libération des virions matures

Compléments

• Un virus bactérien est appelé phage ou bactériophage.

💡 Astuce mémo

Adsorption → injection → détournement → réplication → assemblage → libération

📖 3. Structure et classification virales

🔑 Notions clés & Définitions

• Rétrovirus : Un rétrovirus possède une transcriptase inverse qui permet de fabriquer de l’ADN à partir d’un ARN.

★ À maîtriser

📌 Le génome viral est constitué soit d’ADN soit d’ARN, mais jamais des deux simultanément.

• Les virus à ARN positif ont une séquence identique à celle de l’ARN messager, tandis que les virus à ARN négatif ont une séquence complémentaire à celle de l’ARN messager.

Compléments

• Les critères de classification des virus comprennent: l’hôte, la nature et la structure de l’acide nucléique, la symétrie de la capside, la présence d’une enveloppe, le diamètre, les propriétés immunologiques, le site de multiplication, la maladie et le mode de transmission

💡 Astuce mémo

Virion inerte hors cellule, virus réplicatif dans la cellule

📖 4. Cellule et organisation bactérienne

🔑 Notions clés & Définitions

• Capside : enveloppe composée de molécules protéiques appelées capsomères qui protège l’acide nucléique viral

★ À maîtriser

📌 Une capside icosaédrique possède des faces triangulaires et une apparence sphérique, tandis qu’une capside hélicoïdale forme un cylindre protéique.

📌 Un virus enveloppé possède une bicouche lipidique externe contenant des glycoprotéines, tandis qu’un virus nu ne possède pas de membrane.

Compléments

• La taille des virus varie de 20 nm, environ la taille des ribosomes, à 300 nm, environ la taille des plus petites bactéries.

• Les virus enveloppés sont plus sensibles à l’éther et aux détergents que les virus dépourvus d’enveloppe.

💡 Astuce mémo

Gram positif : violet et peptidoglycane épais ; Gram négatif : rose et membrane externe

📖 5. Constituants et macromolécules

🔑 Notions clés & Définitions

• Membrane plasmique : bicouche lipidique contenant des protéines et séparant la cellule de son environnement
• Oligo-éléments : nutriments requis en faible quantité, généralement en microgrammes par litre de milieu de culture, comme le manganèse, le zinc, le cobalt, le molybdène, le nickel et le cuivre

★ À maîtriser

• La matière sèche bactérienne contient environ:

  • 50 % de carbone
  • 20 % d’oxygène
  • 14 % d’azote
  • 8 % d’hydrogène
  • 3 % de phosphore
  • 1 % de soufre

• Les quatre principales macromolécules cellulaires sont:

  • les protéines, à 55 % de la matière sèche
  • les acides nucléiques, à 24 %
  • les polysaccharides, à 5 %
  • les lipides, à 9 %

Compléments

• Une bactérie contient 70 à 90 % d’eau dans son poids total.

💡 Astuce mémo

Une cellule comme une usine : carbone, protéines, acides nucléiques et lipides

📖 6. Acides nucléiques et ribosomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : constitué d’un pentose, d’une base azotée et d’un groupement phosphate, et les nucléotides sont reliés par des liaisons phosphodiester

📝 Points essentiels

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

• Les deux brins de l’ADN sont complémentaires et antiparallèles, avec une extrémité 5’ faisant face à une extrémité 3’.

• L’ARN est généralement simple brin, contient du ribose et de l’uracile à la place de la thymine.

• Les trois principaux types d’ARN sont:

  • l’ARN messager
  • l’ARN de transfert
  • l’ARN ribosomique

• Le ribosome procaryote comprend une sous-unité 50 S et une sous-unité 30 S, et sa petite sous-unité contient de l’ARNr 16 S.

💡 Astuce mémo

ADN → ARNm → ribosome → protéine

📖 7. Protéines et fonctions cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Protéine : polymère de 20 acides aminés reliés par des liaisons peptidiques covalentes

★ À maîtriser

• La structure tertiaire tridimensionnelle d’une protéine détermine son activité, et la dénaturation lui fait perdre sa structure et son activité.

Compléments

• Les protéines assurent des fonctions:
  • structurales
  • enzymatiques
  • de transport
  • de communication
  • de défense
  • de réserve

💡 Astuce mémo

Structure tridimensionnelle → activité et fonction de la protéine

📖 8. Expression génétique et mutations

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplication semi-conservative : production de deux molécules d’ADN, chacune contenant un brin parental et un brin nouvellement synthétisé par l’ADN polymérase

★ À maîtriser

📌 La réplication produit de l’ADN à partir d’ADN, la transcription produit de l’ARN messager à partir d’ADN et la traduction produit une protéine à partir de l’ARN messager.

📌 Une mutation silencieuse ne modifie pas l’acide aminé, une mutation faux-sens le remplace par un autre et une mutation non-sens introduit un codon stop.

Compléments

• Chez les bactéries dépourvues de noyau, les ribosomes peuvent traduire un ARN messager dès le début de sa transcription et former un polysome.

• Le code génétique est universel et plusieurs codons différents peuvent coder pour un même acide aminé.

💡 Astuce mémo

Réplication de l’ADN → transcription en ARNm → traduction en protéine

📖 9. Métabolisme et oxydo-réduction

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme : catalyseur biologique qui abaisse l’énergie d’activation, accélère une réaction et est réutilisable sans transformation permanente

★ À maîtriser

• L’anabolisme regroupe les réactions qui construisent des macromolécules, tandis que le catabolisme regroupe les réactions qui produisent de l’énergie.

• L’oxydation correspond à une perte d’électrons, tandis que la réduction correspond à un gain d’électrons.

• Un organisme autotrophe utilise le CO2 comme source de carbone, tandis qu’un organisme hétérotrophe utilise des composés organiques comme source de carbone.

• La respiration aérobie utilise l’oxygène comme accepteur terminal d’électrons, la respiration anaérobie utilise un autre accepteur terminal et la fermentation utilise une molécule organique comme accepteur terminal.

Compléments

• Les phototrophes utilisent la lumière comme source d’énergie, tandis que les chimiotrophes utilisent des composés chimiques.

💡 Astuce mémo

Anabolisme construit, catabolisme libère l’énergie

📖 10. Transferts d’électrons et énergie

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel redox : Caractérise la tendance d’une substance à être oxydée ou réduite.

★ À maîtriser

• Lorsqu’un électron est transféré d’un donneur à un accepteur, l’énergie libérée augmente avec la différence de potentiel redox entre les deux couples.

• Dans une chaîne respiratoire, les électrons passent de transporteur en transporteur jusqu’à un accepteur terminal, tandis que les protons contribuent à établir un gradient transmembranaire.

Compléments

• Le glucose est un bon donneur d’électrons et l’oxygène constitue un accepteur permettant une production d’énergie très efficace.

• L’ion Fe2+ peut perdre un électron pour devenir Fe3+, puis transférer cet électron à l’oxygène.

💡 Astuce mémo

Donneur d’électrons → accepteur terminal → énergie libérée

📖 11. Sources cellulaires d’ATP

🔑 Notions clés & Définitions

• Phosphorylation oxydative : Produit de l’ATP grâce à un gradient de protons associé à une respiration aérobie ou anaérobie.
• Photophosphorylation : Produit de l’ATP grâce à un gradient de protons établi par le transport d’électrons excités par la lumière.

• ATP : L’ATP est la monnaie énergétique de la cellule et sa liaison phosphoanhydride libère beaucoup d’énergie lorsqu’elle est rompue.

📝 Points essentiels

📌 La phosphorylation au niveau du substrat transfère directement un groupement phosphate d’une molécule organique à l’ADP sans nécessiter de membrane.

📐 Formule — Lors de la phosphorylation au niveau du substrat, l’ADP reçoit un groupement phosphate et devient de l’ATP : $ADP + P_i \rightarrow ATP$.

💡 Astuce mémo

Substrat sans membrane, gradient avec membrane

📖 12. Photosynthèse et autotrophie

🔑 Notions clés & Définitions

• Photosynthèse : Utilise l’énergie lumineuse pour réduire le CO2 en matière organique chez les organismes autotrophes.

★ À maîtriser

📌 La photosynthèse oxygénique utilise la chlorophylle et oxyde l’eau en produisant de l’oxygène, tandis que la photosynthèse anoxygénique utilise la bactériochlorophylle sans produire d’oxygène.

• 🔄 La photophosphorylation suit cette séquence:
  1. Les photons excitent le pigment
  2. Les électrons circulent entre des accepteurs intramembranaires
  3. Un gradient de protons se forme
  4. Les protons rentrent via l’ATP synthase et produisent de l’ATP

Compléments

• Chez les plantes, les microalgues et certaines bactéries, le pigment photosynthétique est la chlorophylle, tandis que les bactéries pourpres et vertes utilisent la bactériochlorophylle.

💡 Astuce mémo

Chlorophylle → oxygène ; bactériochlorophylle → anoxygénie

📖 13. Origine de la vie et ARN

🔑 Notions clés & Définitions

• Monde à ARN : Repose sur l’idée que l’ARN pouvait simultanément porter l’information génétique et catalyser des réactions grâce à ses propriétés enzymatiques.

★ À maîtriser

• Il y a 3,6 milliards d’années, des traces fossiles indiquent que la vie était déjà présente sur Terre.

• L’augmentation de la photosynthèse oxygénique a accumulé de l’oxygène, provoqué la crise de l’oxygène, éliminé de nombreux anaérobies non protégés et permis la formation de la couche d’ozone.

• La transcriptase inverse permet de produire un ADN bicaténaire à partir d’un seul brin d’ARN, donnant une molécule plus stable.

Compléments

• La synthèse abiotique peut produire:
  • du ribose
  • des acides aminés
  • du glucose
  • de l’adénine

💡 Astuce mémo

Soupe primitive → ARN → ADN → cellules

📖 14. Évolution des métabolismes

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytochrome : Transporteur intramembranaire d’électrons constitué d’une porphyrine complexée à un atome de fer capable de passer entre Fe2+ et Fe3+.

★ À maîtriser

• 🔄 La succession proposée est:
  1. Chimio-lithotrophie et fermentation
  2. Chaînes respiratoires anaérobies
  3. Photosynthèse anoxygénique
  4. Photosynthèse oxygénique

📌 La bactériochlorophylle contient du magnésium et est associée à la photosynthèse anoxygénique, tandis que les cytochromes contiennent du fer et sont associés aux chaînes respiratoires.

Compléments

• Les accepteurs terminaux anaérobies comprennent:
  • les nitrates
  • les sulfates
  • les ions ferriques

💡 Astuce mémo

Chimio-lithotrophie → cytochromes → bactériochlorophylle → chlorophylle

📖 15. Endosymbiose et eucaryotes

🔑 Notions clés & Définitions

• Théorie endosymbiotique : Propose que les mitochondries et les chloroplastes proviennent de bactéries internalisées durablement par une cellule ancestrale.

★ À maîtriser

• L’intégration d’une alpha-protéobactérie aérobie dans un eucaryote anaérobie a conduit à une mitochondrie et a permis la respiration aérobie.

• L’intégration d’une cyanobactérie dans un procaryote ancestral a conduit à un chloroplaste et a permis la phototrophie chez certains eucaryotes.

• Les mitochondries et les chloroplastes possèdent un ADN circulaire, des ribosomes analogues à ceux des bactéries et une autonomie partielle de synthèse protéique.

Compléments

• Il y a 1,2 à 1,5 milliards d’années, une endosymbiose impliquant une cyanobactérie a conduit à l’apparition des chloroplastes.

💡 Astuce mémo

Bactérie aérobie internalisée → mitochondrie ; cyanobactérie internalisée → chloroplaste

📖 16. Phylogénie et chronomètres moléculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Chronomètre moléculaire : Molécule universelle, fonctionnellement homologue, alignable et évoluant à un taux compatible avec la distance phylogénétique étudiée.

★ À maîtriser

• Carl Woese a proposé une classification en trois domaines fondée sur l’étude des séquences du gène de l’ARN ribosomique, mettant en évidence les archées.

• Chez les bactéries et les archées, le gène de l’ARN ribosomique 16S sert de chronomètre moléculaire, tandis que le gène 18S est utilisé chez les eucaryotes.

• La distance évolutive entre deux espèces est estimée en comparant les différences de séquence de nucléotides ou d’acides aminés dans des macromolécules homologues.

Compléments

• Le gène de l’ARN ribosomique 16S possède des régions conservées et des régions variables, ce qui permet de classer les organismes à différents niveaux taxonomiques.

💡 Astuce mémo

Séquence stable → rang élevé ; séquence variable → distinction fine

📖 17. Différences entre les trois domaines

🔑 Notions clés & Définitions

• Systématique : Classe les êtres vivants en groupes d’affinité appelés taxons et leur attribue un nom.

★ À maîtriser

📌 Les bactéries possèdent généralement du peptidoglycane dans leur paroi, les archées en sont dépourvues et les eucaryotes peuvent posséder une paroi de cellulose ou de chitine.

📌 Les bactéries et les eucaryotes utilisent des acides gras membranaires liés au glycérol par des liaisons ester, tandis que les archées utilisent des phytanyls liés par des liaisons éther.

• Les bactéries possèdent une ARN polymérase à 5 sous-unités, les archées une ARN polymérase à 8 à 13 sous-unités et les eucaryotes plusieurs ARN polymérases de 10 à 12 sous-unités.

📌 La taxonomie étudie et décrit les organismes, tandis que la nomenclature rassemble les règles d’attribution d’un nom à un taxon.

📌 Il n’existe pas de classification officielle unique des procaryotes, car plusieurs classifications peuvent coexister selon les critères scientifiques ou pratiques retenus.

• Les agents biologiques du groupe 1 ne sont pas susceptibles de provoquer une maladie humaine, tandis que ceux des groupes 2 à 4 peuvent provoquer des maladies avec un risque croissant de propagation et des traitements de moins en moins disponibles.

Compléments

• Les membranes des archées hyperthermophiles peuvent former une monocouche de biphytanyl plus stable à haute température que les membranes bactériennes.

📌 Le premier acide aminé incorporé lors de la traduction est la formyl-méthionine chez les bactéries et la méthionine chez les archées.

• La nomenclature procède par combinaison de deux noms latins, comme dans Bifidobacterium bifidum.

• Le groupe 4 comprend des agents provoquant des maladies graves, présentant un risque élevé de propagation et ne disposant généralement ni de prophylaxie ni de traitement efficace, mais il ne contient pas de bactéries.

💡 Astuce mémo

Bacteria : peptidoglycane ; Archaea : éther ; Eukarya : cellulose ou chitine

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des formes cellulaires et virales

Modes de production d’ATP