Fiche de révision : Enzymes et métabolisme cellulaire

📋 Plan du Cours

1. Origines de la microbiologie
2. Microorganismes et holobionte
3. Nature et multiplication des virus
4. Génomes et classification virale
5. Capsides et morphologie virale
6. Vie et propriétés du vivant
7. Cellules et organisation bactérienne
8. Éléments chimiques cellulaires
9. Lipides et organisation membranaire
10. Glucides et polysaccharides
11. Acides nucléiques et ribosomes
12. Protéines et niveaux de structure
13. Rôle et fonctionnement des enzymes
14. Potentiel génésique et génome
15. Métabolisme et types trophiques
16. Transferts d'électrons et production d'ATP
17. Évolution microbienne et endosymbiose
18. Champignons et interactions écologiques

📖 1. Origines de la microbiologie

🔑 Notions clés & Définitions

• Biogenèse : Principe selon lequel tout organisme vivant provient exclusivement d’un autre organisme vivant préexistant.
• Microorganisme : Organisme vivant invisible à l’œil nu, de taille inférieure à 0,2 mm.

★ À maîtriser

• En 1674, Antonie Van Leeuwenhoek communique par écrit ses premières observations microscopiques d’animalcules, avec un grossissement de × 300.

📌 La génération spontanée est la croyance que des organismes vivants se développent à partir de matière morte ou en décomposition, comme les asticots attribués à la viande.

• En 1668, l’expérience de Francesco REDI montre que les asticots proviennent des mouches et non de la viande.

Compléments

• L’expérience de Pasteur en 1861 confirme l’hypothèse de la biogenèse.

💡 Astuce mémo

Génération spontanée contre biogenèse : apparition depuis la matière contre origine par un vivant.

📖 2. Microorganismes et holobionte

🔑 Notions clés & Définitions

• Holobionte : Assemblage d’espèces différentes comprenant un hôte multicellulaire et les microorganismes vivant en symbiose avec lui.

★ À maîtriser

📌 Certains eucaryotes sont des microorganismes, tandis que tous les procaryotes sont des microorganismes.

Compléments

• L’holobionte humain comprend notamment :

  • des bactéries
  • des virus
  • des mycètes
  • des archées

• Les microorganismes sont présents dans :

  • les biotechnologies
  • les océans
  • les carrières
  • les sources
  • le sol
  • les intestins, la peau et la bouche
  • l’agriculture
  • les maladies
  • les énergies
  • les aliments

• Les procaryotes représentent la majeure partie de la biomasse terrestre et les microorganismes y jouent un rôle fondamental.

📖 3. Nature et multiplication des virus

🔑 Notions clés & Définitions

• Virus : Élément génétique mobile incapable de se multiplier seul par division et qui dépend d’une cellule hôte, ce qui en fait un parasite intracellulaire obligatoire.
• Virion : Virus extracellulaire constitué d’un acide nucléique entouré de protéines formant la capside et métaboliquement inerte.

★ À maîtriser

• 🔄 La multiplication virale suit ces étapes :
  1. Adsorption du virion sur la cellule hôte
  2. Injection de l’acide nucléique dans la cellule hôte
  3. Détournement de la machinerie de biosynthèse de l’hôte pour produire les enzymes virales
  4. Réplication de l’acide nucléique viral
  5. Synthèse des protéines de capside
  6. Assemblage des protéines de capside et empaquetage de l’acide nucléique
  7. Libération des virions matures hors de la cellule hôte

Compléments

• Un phage, ou bactériophage, est un virus qui infecte les bactéries.

• Un virus peut contenir des enzymes qui participent au processus d’infection, bien que le virion soit métaboliquement inerte.

💡 Astuce mémo

Adsorption → entrée → détournement → réplication et assemblage → libération.

📖 4. Génomes et classification virale

★ À maîtriser

• Le génome viral est constitué d’ADN ou d’ARN, jamais des deux simultanément dans un même virion.

• La classification des virus tient compte de :

  • la nature de l’hôte
  • les caractéristiques de l’acide nucléique
  • la symétrie de la capside
  • les propriétés immunologiques
  • le site intracellulaire de multiplication

📌 Les virus à ADN possèdent un génome d’ADN simple ou double brin, tandis que les virus à ARN possèdent un génome d’ARN simple ou double brin.

📌 Les rétrovirus passent de l’ARN à l’ADN par transcription inverse, tandis que les hépadnavirus passent de l’ADN à l’ARN.

Compléments

• Les virus à ADN simple brin peuvent avoir un génome linéaire ou circulaire, tandis que les virus à ADN double brin peuvent avoir un génome linéaire ou circulaire.

• Les virus mesurent de 20 nm, taille comparable à celle des ribosomes, à 300 nm, taille supérieure à celle des plus petites bactéries.

• La microscopie électronique à balayage donne une image en 3D, tandis que la microscopie électronique en transmission donne une image en 2D et permet de voir l’intérieur des cellules.

💡 Astuce mémo

ADN, ARN, rétrovirus et hépadnavirus se distinguent par leur génome et ses conversions.

📖 5. Capsides et morphologie virale

🔑 Notions clés & Définitions

• Capside : Assemblage de molécules protéiques entourant l’acide nucléique viral et composé de capsomères.
• Nucléocapside : Complexe formé par l’acide nucléique et les protéines virales.

★ À maîtriser

📌 Les virus nus ne possèdent pas de membrane, tandis que les virus enveloppés possèdent une couche membranaire externe entourant la nucléocapside.

• Les morphologies virales décrites sont :
  • la forme icosaédrique
  • la forme hélicoïdale
  • le virus enveloppé
  • le virus complexe

Compléments

• L’enveloppe virale est une bicouche lipidique contenant des glycoprotéines et rend les virus plus sensibles.

• Le papillomavirus humain est un exemple de virus à forme icosaédrique, qui apparaît sphérique en microscopie électronique.

• Le virus de la mosaïque du tabac est un exemple de virus à forme hélicoïdale, constituée d’un cylindre protéique.

• Le bactériophage T4 est un virus complexe à tête icosaédrique et à queue hélicoïdale.

💡 Astuce mémo

Visualiser une capside en hélice, en polyèdre, enveloppée ou en tête et queue.

📖 6. Vie et propriétés du vivant

★ À maîtriser

• 🔄 Les échanges métaboliques suivent ce parcours :

  1. Les nutriments sont prélevés dans l’environnement
  2. Les nutriments sont transformés dans la cellule
  3. Les déchets sont rejetés dans la nature

• La reproduction permet de transformer des éléments chimiques en nouvelles cellules, notamment par division binaire.

• 🔄 L’évolution peut conduire à :

  1. l’évolution des gènes des cellules
  2. de nouvelles propriétés biologiques
  3. de nouvelles espèces

Compléments

• Xavier BICHAT définit en 1771-1802 la vie comme l’ensemble des fonctions qui résistent à la mort.

• Jacques MONOD (1910-1976) définit la vie comme la propriété d’objets doués d’un projet, construits de l’intérieur et dotés d’une capacité de reproduction.

• La différenciation et les mouvements sont des propriétés du vivant qui ne sont pas toujours présentes.

• Les cellules communiquent ou interagissent par des échanges de molécules chimiques, notamment lors du quorum sensing.

📖 7. Cellules et organisation bactérienne

🔑 Notions clés & Définitions

• Cellule : Unité élémentaire du vivant, isolée des autres cellules par une membrane et contenant des structures internes et des composés chimiques.
• Membrane cellulaire : La membrane cellulaire, aussi appelée membrane cytoplasmique, sépare la cellule de son environnement extérieur.
• Procaryote : Un procaryote est un organisme unicellulaire dépourvu de noyau, rattaché au domaine des bactéries ou à celui des archées.

★ À maîtriser

📌 Les cellules eucaryotes mesurent 10 à 100 µm, tandis que les cellules procaryotes mesurent 1 à 10 µm.

• Les cellules procaryotes se caractérisent par :
  • un ADN très condensé dans le nucléoïde
  • l’absence de noyau
  • l’absence de mitochondries
  • de nombreux ribosomes libres
  • des granules de stockage du carbone

📌 Les bactéries Gram positives ont une paroi plus épaisse, tandis que les bactéries Gram négatives ont une couche de peptidoglycane plus mince et un périplasme.

Compléments

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

📌 Les cellules végétales possèdent une paroi cellulaire, tandis que les cellules animales n’ont pas de paroi et sont délimitées par une membrane.

• Le LPS des bactéries Gram négatives est un lipopolysaccharide associé à leur membrane externe.

💡 Astuce mémo

Eucaryote avec noyau et organites, procaryote sans noyau ni mitochondries.

📖 8. Éléments chimiques cellulaires

★ À maîtriser

• La coloration de Gram se poursuit par l’ajout d’iode, qui fixe le cristal violet, puis par une décoloration à l’éthanol et une contre-coloration à la safranine.

• La composition du poids sec cellulaire indiquée est :

  • protéines : 55 %
  • acides nucléiques : 24 %
  • polysaccharides : 5 % auxquels s’ajoutent 3 % de glycogène
  • lipides : 9 %

Compléments

• Les macroéléments apportés en grande quantité dans le milieu de culture comprennent le carbone, l’hydrogène et l’oxygène.

📖 9. Lipides et organisation membranaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Amphipathie : Propriété d’une molécule qui possède à la fois des régions hydrophiles et hydrophobes.

★ À maîtriser

📌 Les lipides simples associent des acides gras au glycérol par une liaison ester, tandis que les lipides complexes sont des lipides simples auxquels s’ajoutent d’autres éléments, comme le phosphore dans les phospholipides.

📌 Dans une bicouche lipidique, les queues hydrophobes se tournent vers l’intérieur et les têtes hydrophiles vers l’eau extérieure, tandis qu’une micelle est une sphère pleine dont les têtes sont en surface et les queues tournées vers l’intérieur.

Compléments

• Un acide gras est une longue chaîne carbonée portant un groupement carboxyle COOH à son extrémité.

• Un triglycéride est constitué de trois acides gras liés à un glycérol.

• Une monocouche lipidique se forme à l’interface air-eau, avec les têtes orientées vers l’eau et les queues vers l’air.

• Un liposome est une bicouche lipidique repliée sur elle-même qui forme une sphère creuse contenant de l’eau à l’intérieur et entourée d’eau à l’extérieur.

💡 Astuce mémo

Dans la bicouche, les têtes hydrophiles regardent l’eau et les queues hydrophobes se font face.

📖 10. Glucides et polysaccharides

🔑 Notions clés & Définitions

• Glucide : Composé organique contenant du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène selon un rapport 1:2:1.

★ À maîtriser

📌 Les monosaccharides sont des sucres simples qui ne peuvent pas être décomposés en sucres plus petits, les oligosaccharides sont généralement constitués de 2 à 10 monosaccharides liés par des liaisons glycosidiques, et les polysaccharides sont de longues chaînes linéaires ou ramifiées comprenant des centaines ou des milliers de monosaccharides.

📌 Les liaisons glycosidiques α sont présentes dans l’amidon et le glycogène, tandis que les liaisons β sont présentes dans la cellulose.

Compléments

• Le glucose, le galactose et le fructose sont des monosaccharides, le lactose et le saccharose sont des oligosaccharides, et la cellulose, l’amidon et le glycogène sont des polysaccharides.

• Le saccharose est composé de glucose et de fructose.

📌 Les pentoses à cinq carbones contribuent au squelette des acides nucléiques, tandis que les hexoses à six carbones entrent notamment dans la composition de polymères des parois cellulaires et de réserve.

💡 Astuce mémo

Liaisons α pour amidon et glycogène, β pour cellulose.

📖 11. Acides nucléiques et ribosomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide nucléique : Molécule informationnelle composée de nucléotides et portant ou transmettant l’information génétique.
• Ribosome : Siège de la synthèse des protéines dans la cellule.

★ À maîtriser

📌 Un nucléotide comprend un sucre, une base azotée et un ou plusieurs phosphates, tandis qu’un nucléoside comprend un sucre et une base azotée sans phosphate.

• Les bases azotées se répartissent ainsi :

  • adénine : ADN et ARN
  • cytosine : ADN et ARN
  • guanine : ADN et ARN
  • thymine : ADN
  • uracile : ARN

• L’ADN est généralement constitué de deux chaînes polynucléotidiques en double hélice, avec un squelette phosphoglucidique et des bases complémentaires reliées par des liaisons hydrogène.

📌 L’ARN messager copie la séquence codante d’un gène et sert de matrice à la synthèse protéique, l’ARN ribosomique participe à la structure et à la fonction du ribosome, et l’ARN de transfert intervient dans l’expression de l’ARN messager en protéine.

Compléments

• Le chromosome bactérien est constitué d’ADN, contient la majorité de l’information génétique et est généralement circulaire, à l’exception de certains cas comme Streptomyces.

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

• Le coefficient S désigne l’unité de Svedberg, une mesure de la vitesse de sédimentation.

💡 Astuce mémo

Nucléotide avec phosphate ; nucléoside sans phosphate.

📖 12. Protéines et niveaux de structure

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

• La structure primaire d’une protéine correspond à la séquence linéaire de ses acides aminés, parmi lesquels le cours indique 20 types différents.

• La structure secondaire d’une protéine résulte du repliement de la chaîne, notamment sous forme d’hélice α ou de feuillet β, avec des liaisons hydrogène.

• La structure tertiaire correspond au repliement tridimensionnel d’une chaîne polypeptidique.

• La structure quaternaire d’une protéine résulte de l’association de plusieurs chaînes d’acides aminés.

• La fonction d’une protéine dépend de sa structure tridimensionnelle.

Compléments

• Les protéines constituent 55 % du poids sec cellulaire et sont les macromolécules les plus représentées dans la cellule.

• Les protéines peuvent avoir des fonctions structurales, enzymatiques, de transport, de communication, de défense ou de réserve.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire.

📖 13. Rôle et fonctionnement des enzymes

🔑 Notions clés & Définitions

• Catalyseur : Substance qui abaisse l'énergie d'activation d'une réaction, en facilite le démarrage et augmente sa vitesse sans subir de transformation permanente.
• Enzyme : Catalyseur biologique produit par la cellule, généralement spécifique d'un type de réaction.
• Site actif : Zone de l'enzyme où le substrat se fixe et où se déroule la réaction catalytique.

📝 Points essentiels

📌 La cellule possède une fonction de codage associée à la circulation de l’ADN et une fonction de machinerie associée à l’énergie et au métabolisme.

📌 Les substrats sont les réactifs sur lesquels agit l'enzyme, tandis que les produits sont les substances formées à la fin de la réaction.

• Les noms d'enzymes se terminent souvent par « -ase », comme ADN polymérase et ATP-ase.

• Une enzyme peut catalyser plusieurs fois de suite la même réaction, car elle n'est pas transformée de façon permanente.

📖 14. Potentiel génésique et génome

🔑 Notions clés & Définitions

• Anticodon : Séquence de l'ARN de transfert, complémentaire et antiparallèle au codon de l'ARN messager, que l'ARN de transfert reconnaît en apportant un acide aminé.

★ À maîtriser

• Les mutations ponctuelles présentées se distinguent par leur effet sur la protéine :
  • Une mutation faux-sens change un acide aminé de la protéine.
  • Une mutation non-sens crée un codon stop et interrompt la traduction prématurément.
  • Une mutation silencieuse change le codon sans changer l'acide aminé.

📌 La transcription transforme l'ADN en ARN grâce à l'ARN polymérase, tandis que la traduction transforme l'ARN en protéine grâce aux ribosomes.

• Chez les procaryotes, la traduction peut commencer sur un ARN encore en cours de transcription, car l'ADN est libre dans le cytoplasme et il n'y a pas de noyau.

• Le codon initiateur indiqué est AUG, et les trois codons stop sont UAA, UAG et UGA.

Compléments

• Le codon ARN AAC code l'asparagine dans l'exemple de mutation faux-sens.

• Le codon ARN UAG est un codon stop dans l'exemple de mutation non-sens.

• Le codon ARN UAU code la tyrosine dans l'exemple de mutation silencieuse.

📌 Chez les eucaryotes, la transcription a lieu dans le noyau et la traduction dans le cytoplasme.

• Plusieurs codons peuvent coder le même acide aminé ; la leucine est codée par six codons.

📖 15. Métabolisme et types trophiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel génésique : Ensemble des capacités de codage qu'une cellule possède grâce à son génome, c'est-à-dire ce qu'elle peut produire à partir de son ARN.
• Génome : Ensemble du matériel génétique contenu dans une cellule.

📝 Points essentiels

• Chez E. coli, le génome contient 4,7 millions de paires de bases, comprend environ 4 300 gènes dont 3 000 codent des protéines, et 70 % du génome est codant.

• Chez l'Homme, le document indique 3 % de génome codant.

• La cellule indiquée contient 2,4 millions de molécules protéiques correspondant à 1 900 types différents, en quantités allant de quelques molécules à 100 000 molécules.

💡 Astuce mémo

Anabolisme construit ; catabolisme dégrade et libère de l'énergie.

📖 16. Transferts d'électrons et production d'ATP

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolisme : Ensemble des processus chimiques intracellulaires.
• Anabolisme : Ensemble des réactions de biosynthèse qui construisent des molécules, consomment de l'énergie et des nutriments, et utilisent des sources de carbone comme des composés organiques ou le CO₂.
• Catabolisme : Ensemble des réactions qui dégradent des molécules pour en tirer de l'énergie à partir de composés organiques ou de composés inorganiques, et qui produisent des déchets.

★ À maîtriser

• Le classement distingue les organismes selon leurs sources de carbone et d'énergie : les hétérotrophes utilisent des composés organiques comme source de carbone, les autotrophes utilisent le CO₂ comme source de carbone, les chimio-organotrophes tirent leur énergie de l'oxydation de composés organiques, les chimio-lithotrophes tirent leur énergie de l'oxydation de composés inorganiques, les phototrophes tirent leur énergie de la lumière

Compléments

• Les produits de fermentation cités sont :

  • des acides
  • des alcools
  • du CO₂
  • des accepteurs d'électrons réduits

• Le catabolisme fournit des précurseurs pour la biosynthèse et de l'énergie pour l'anabolisme ainsi que pour le transport et la mobilité des molécules.

💡 Astuce mémo

Respiration : chaîne et accepteur externe ; fermentation : ni chaîne ni accepteur externe.

📖 17. Évolution microbienne et endosymbiose

🔑 Notions clés & Définitions

• Force proton motrice : Accumulation de protons à l'extérieur de la cellule lors du transfert d'électrons du donneur à l'accepteur terminal, ce qui polarise la cellule.
• ATP : Adénosine triphosphate qui conserve l'énergie et constitue la monnaie énergétique de la cellule.

★ À maîtriser

📌 L'oxydation correspond à une perte d'un ou plusieurs électrons, tandis que la réduction correspond à un gain d'un ou plusieurs électrons.

• La production d'ATP par phosphorylation oxydative suit la chaîne suivante : transfert d'électrons, accumulation de protons et polarisation membranaire, production d'ATP par l'ATP synthase, puis diminution de la polarisation lorsque le gradient de protons est utilisé.

• Les mécanismes de production d'énergie se distinguent ainsi :

  • La respiration aérobie dégrade complètement un substrat avec O₂ comme accepteur final d'électrons.
  • La respiration anaérobie dégrade complètement un substrat sans O₂, avec des accepteurs alternatifs tels que NO₃⁻
  • La fermentation se déroule sans chaîne de transport d'électrons ni accepteur externe.

Compléments

📌 Un agent réducteur tend à donner des électrons et possède un faible potentiel de réduction, tandis qu'un agent oxydant tend à les accepter et possède un fort potentiel de réduction.

📐 Formule - Dans l'exemple de réaction redox, $\mathrm{H-C-OH + NAD^+ \longrightarrow C=O + NADH + H^+}$.

• La tour des électrons classe les couples redox du potentiel le plus négatif au plus positif ; plus on descend dans la tour, plus le transfert d'électrons libère d'énergie.

• Le glucose et H₂ sont de bons donneurs d'électrons, tandis que O₂ est un bon accepteur d'électrons.

• La fermentation produit de l'ATP par glycolyse ; le pyruvate sert d'accepteur interne d'électrons et permet la réoxydation du NADH en NAD⁺.

• L'ATPase est une enzyme transmembranaire qui permet de produire de l'ATP à partir d'ADP et de phosphate.

💡 Astuce mémo

Prolifération des cyanobactéries → oxygénation de l'atmosphère.

📖 18. Champignons et interactions écologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Endosymbiose : Théorie expliquant le passage d'un procaryote à un eucaryote par l'établissement de relations symbiotiques entre un eucaryote anaérobie et des bactéries.
• Chronomètre moléculaire : Outil qui mesure les distances évolutives entre espèces en comparant les différences de séquence d'une molécule conservée.
• ARNr 16S : Chronomètre moléculaire de référence, ubiquitaire, stable au cours de l'évolution, doté d'une fonction conservée et de régions variables et conservées, et peu sujet aux transferts latéraux de gènes.
• Champignon : Organismes eucaryotes, non chlorophylliens, non mobiles et hétérotrophes, dont la croissance nécessite de l'eau et de l'O₂ et dont les réserves carbonées comprennent le glycogène et les lipides.
• Hyphe : Tube entouré d'une paroi rigide, contenant du protoplasme et mesurant 4 à 20 µm de diamètre.
• Cytochrome : Protéine membranaire contenant une porphyrine et un atome de fer, qui participe aux chaînes de transfert d'électrons grâce à l'alternance du fer entre Fe²⁺ et Fe³⁺.

★ À maîtriser

📌 La relation symbiotique entre un eucaryote anaérobie et une bactérie aérobie, une protéobactérie, est associée à l'apparition de la mitochondrie ; celle entre un eucaryote anaérobie et une cyanobactérie est associée à l'apparition du chloroplaste.

• Les quatre groupes de dangerosité sont :

  • Groupe 1 : ne provoque pas de maladie humaine.
  • Groupe 2 : maladie possible, propagation peu probable et traitements généralement efficaces.
  • Groupe 3 : maladie grave possible, propagation possible et traitements généralement efficaces.
  • Groupe 4 : maladie grave possible, risque de propagation élevé et absence de traitement efficace.

• Les champignons se nourrissent par absorption après digestion extracellulaire : ils sécrètent des enzymes qui hydrolysent les molécules complexes, puis absorbent les molécules simples diffusées vers le mycélium.

Compléments

• La vie aurait commencé dans des océans chauds, à environ 100 °C, et anoxiques, c'est-à-dire dépourvus d'O₂.

• La prolifération des cyanobactéries a provoqué la crise de l'oxygène vers 2,4 Ga, avec une augmentation de l'oxygène dans les océans et l'atmosphère, puis la mise en place de l'ozone et de la respiration aérobie.

• L'expérience de Miller, en 1953, a recréé en laboratoire des conditions de l'atmosphère primitive et montré que des biomolécules pouvaient se former spontanément à partir de gaz inorganiques sous l'effet d'une source d'énergie intense, comme des étincelles.

📌 Un mélange racémique contient en proportions égales les énantiomères L et D, tandis que les organismes utilisent des acides aminés de forme L.

• Les chloroplastes contiennent un ADN procaryote circulaire et des ribosomes, et une partie de la synthèse des protéines chloroplastiques s'y déroule.

• Les prochlorophytes, les cyanobactéries et les chloroplastes descendent d'un ancêtre commun sans filiation directe entre eux.

• 🔄 L'analyse suit trois étapes :

  1. Aligner et analyser les séquences.
  2. Calculer la distance évolutive.
  3. Construire un arbre phylogénétique.

💡 Astuce mémo

Saprotrophes : matière morte ; parasites : hôte vivant.

📊 Tableaux de synthèse

Types de génomes viraux