Fiche de révision : Traduction, enzymes et régulations bactériennes

📋 Plan du Cours

1. Eau et sels minéraux
2. Glucides et fonctions cellulaires
3. Structure et fonctions des protéines
4. Lipides et réserves énergétiques
5. Organisation et transport membranaires
6. Propriétés et transports membranaires
7. Organites membranaires eucaryotes
8. Cellule bactérienne et membrane
9. Métabolismes et endosymbiose
10. ADN, réplication et expression génétique
11. Code génétique et devenir des protéines
12. Structure et fonctionnement enzymatiques
13. Cinétique et régulation enzymatiques
14. Métabolisme et vecteurs énergétiques
15. Organisation et transcription bactériennes
16. Régulation des voies métaboliques
17. Promoteurs et facteurs sigma
18. Promoteurs bactériens et facteurs sigma

📖 1. Eau et sels minéraux

★ À maîtriser

• L'eau représente 60 à 65 % de la teneur du corps humain et constitue le milieu de dispersion ainsi que le solvant polaire de nombreuses activités biochimiques du vivant.

📌 Les sels minéraux existent sous forme soluble, notamment comme ions Ca, Na, K, Mg et Cl, ou comme oligo-éléments Fe, Si, Zn et Cu, ainsi que sous forme insoluble de sels d'hydroxyapatite.

• Le Ca2+ intervient notamment dans: la contraction des cellules musculaires, la conduction électrique des cellules nerveuses, la signalisation cellulaire

Compléments

• Les sels minéraux participent à la pression iso-osmotique et certains, comme Mg et plusieurs oligo-éléments, jouent le rôle de cofacteurs enzymatiques.

📖 2. Glucides et fonctions cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Ose simple : Glucide portant une fonction carbonyle, qui peut être un aldéhyde ou une cétone, ainsi qu'une fonction alcool, et qui est souvent cyclique.

★ À maîtriser

📐 Formule — La formule générale des oses simples est (CH2O)n avec 3<n<7.

📌 Les deux principales familles d'oses simples sont les hexoses, pour lesquels n=6, et les pentoses, pour lesquels n=5.

• Les oses simples peuvent être polymérisés par des liaisons glycosidiques.
• Les homopolysaccharides servent comme réserve de substrats énergétiques
• L'hydrolyse de l'amidon et du glycogène libère des molécules de glucose utilisables par la cellule, ce qui permet leur rôle de réserve de substrats énergétiques.
• Les hétéropolysaccharides sont des éléments de structure des espaces extracellulaires

Compléments

• Les exemples de polymères de glucose sont:

  • l'amidon
  • la cellulose
  • le glycogène

• Les glycosaminoglycanes ( GAG) sont des hétéropolysaccharides formés par l'alternance de deux oses différents A et B et, associés à des protéines, forment des protéoglycanes dont les charges négatives attirent l'eau et produisent un gel hydraté extracellulaire. — A.B Souza-Fernandes, The role of glycosaminoglycans in respiratory disease, 2006

• Les oligosaccharides fixés à des glycoprotéines ou à des glycolipides de la face externe de la membrane plasmique participent à la reconnaissance cellule-cellule et à l'adhésion, notamment dans le système des groupes sanguins ABO.

💡 Astuce mémo

Hydrolyse des réserves → libération de glucose utilisable

📖 3. Structure et fonctions des protéines

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide aminé : Caractérisé par un groupe amine, un groupe carboxylique et un radical R qui lui confère des propriétés chimiques spécifiques; les protéines utilisent environ vingt acides aminés.

★ À maîtriser

• Les protéines représentent 80 % du poids sec de la matière vivante et une cellule possède environ 10 000 molécules de protéines différentes.

• Les protéines sont des polymère linéaire d'acides aminés

• La structure primaire d'une protéine est une chaîne orientée de résidus d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, de l'extrémité NH₂ vers l'extrémité COOH.

• Les trois types de structure secondaire des protéines sont l'hélice α, le feuillet β et la pelote statistique.

• Les principales fonctions protéiques sont:

  • structure
  • mobilité cellulaire
  • communication
  • transport
  • défense par les anticorps
  • catalyse enzymatique

Compléments

• L'hémoglobine est une protéine quaternaire formée de quatre sous-unités, c'est-à-dire quatre chaînes peptidiques.

💡 Astuce mémo

Primaire → secondaire → tertiaire → quaternaire

📖 4. Lipides et réserves énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Acide gras : Constitué d'une chaîne carbonée très hydrophobe terminée par une fonction carboxylique.
• Triglycéride : Triester formé d'une molécule de glycérol et de trois molécules d'acides gras; il constitue une réserve énergétique mobilisée par β-oxydation.
• Phosphoglycéride : Molécule amphiphile portant une tête hydrophile comprenant le glycérol et un groupe phosphate, ainsi que deux chaînes d'acides gras hydrophobes; il constitue un élément essentiel des membranes biologiques.

★ À maîtriser

📌 Les acides gras courts sont plus fluides que les acides gras longs, et les acides gras insaturés sont plus fluides que les acides gras saturés.

Compléments

• Le cholestérol est une petite molécule amphiphile qui constitue les membranes biologiques, module leur fluidité et sert de précurseur à la synthèse des hormones stéroïdes.

💡 Astuce mémo

Tête hydrophile des phospholipides ≠ chaînes hydrophobes

📖 5. Organisation et transport membranaires

★ À maîtriser

• Les membranes biologiques sont principalement des bicouches de phospholipides d'une épaisseur de 6 à 10 nm, composées en poids sec d'environ 40 % de lipides, 52 % de protéines et 8 % de glucides. On retrouve une répartition différente entre les feuillet interne et externe.

📌 Une protéine périphérique se localise sur le feuillet externe ou interne de la membrane, tandis qu'une protéine transmembranaire traverse l'épaisseur de la membrane.

• Les formes d'autoassemblage des phospholipides sont:

  • les micelles
  • les liposomes sphériques
  • les bicouches à deux feuillets

• Les membranes sont asymétriques: les phospholipides et sphingolipides sont répartis inégalement entre les deux feuillets, tandis que le cholestérol est réparti de façon équilibrée.

📌 Les gaz O₂ et CO₂ ainsi que les petites molécules non chargées comme l'éthanol et l'urée traversent la membrane par diffusion passive dans le sens du gradient de concentration, tandis que l'eau et les ions utilisent un transport facilité par des protéines.

Compléments

• L'aquaporine est une protéine tétramérique dont chaque sous-unité possède six hélices α comprenant chacune 20 à 25 acides aminés. — W Stillwell, Introduction to biological membranes, 2013

💡 Astuce mémo

Diffusion passive selon le gradient ≠ transport actif

📖 6. Propriétés et transports membranaires

★ À maîtriser

📌 Les gaz O₂ et CO₂ ainsi que les petites molécules non chargées comme l'éthanol et l'urée traversent la membrane par diffusion passive selon leur gradient chimique de concentration.

Compléments

• La plupart des protéines transmembranaires possèdent des hélices α, tandis que les feuillets β sont plus rares.

• L'aquaporine est un canal de l'eau et du glycérol formé d'un tétramère dont chaque sous-unité possède six hélices α de 20 à 25 acides aminés.

💡 Astuce mémo

Périphérique sur la surface, transmembranaire dans l'épaisseur

📖 7. Organites membranaires eucaryotes

🔑 Notions clés & Définitions

• Enveloppe nucléaire : Double membrane qui délimite la chromatine du cytoplasme, comporte des pores de 0,1 μm et est en continuité directe avec le réticulum endoplasmique.

📝 Points essentiels

• Le système endomembranaire comprend:
  • l'enveloppe nucléaire
  • le réticulum endoplasmique
  • l'appareil de Golgi
  • les endosomes
  • les lysosomes
  • les vésicules de transport

📌 Le réticulum endoplasmique lisse synthétise des lipides, participe à la détoxification des xénobiotiques et stocke le calcium, tandis que le réticulum endoplasmique granuleux porte des ribosomes et synthétise les protéines exportées ou membranaires.

• L'appareil de Golgi est un empilement de saccules aplatis orienté entre une face cis tournée vers le noyau et le REG et une face trans tournée vers les grains de sécrétion et la membrane plasmique.

📌 Les lysosomes sont des vésicules d'environ 0,5 μm riches en hydrolases acides, tandis que les péroxysomes contiennent des oxydases et de la catalase impliquées dans la dégradation oxydative.

• La mitochondrie possède une membrane externe avec des porines, une membrane interne portant la chaîne respiratoire et l'ATP synthase, un espace intermembranaire et une matrice contenant notamment le cycle de Krebs.

💡 Astuce mémo

Noyau → réticulum → Golgi → vésicules

📖 8. Cellule bactérienne et membrane

📝 Points essentiels

• La membrane bactérienne ne contient pas de stérols et comprend notamment chez Escherichia coli 80 % de phosphatidyléthanolamine, 15 % de phosphatidylglycérol et 5 % de diphosphatidylglycérol.

📌 La membrane bactérienne est imperméable aux macromolécules, aux sucres, aux acides aminés et aux ions, mais laisse passer l'eau par osmose ainsi que les petites molécules hydrophobes et les molécules hydrophiles non électrolytes.

• 🔄 Le mouvement flagellaire repose sur:
  1. la force proton-motrice
  2. les protéines Mot du stator
  3. la rotation du corps basal

📌 Les pili communs sont courts, fins et impliqués dans l'adhérence, tandis que les pili sexuels sont épais, peu nombreux et permettent le transfert d'ADN.

💡 Astuce mémo

Gram positif : paroi épaisse ; Gram négatif : architecture différente

📖 9. Métabolismes et endosymbiose

📝 Points essentiels

📐 Formule — La synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate nécessite une énergie libre standard de $\\Delta G' = +30{,}5\\ \\mathrm{kJ/mol}$.

• La force proton-motrice correspond à une différence de concentration en protons et de potentiel qui tend à faire revenir les protons selon leur gradient électrochimique.

📌 Les bactéries sont classées selon leur source d'énergie en phototrophes utilisant la lumière ou chimiotrophes utilisant l'oxydation, et selon leur donneur d'électrons en lithotrophes utilisant des composés minéraux ou organotrophes utilisant des composés organiques.

• Les mitochondries et les chloroplastes des eucaryotes descendent de bactéries libres selon la théorie de l'endosymbiose.

💡 Astuce mémo

Gradient protonique → ATP ; endosymbiose → mitochondries et chloroplastes

📖 10. ADN, réplication et expression génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : Formé d'une base azotée, d'un pentose et d'un acide phosphorique.

★ À maîtriser

📌 L'ADN contient du désoxyribose et les bases adénine, guanine, thymine et cytosine, tandis que l'ARN contient du ribose et les bases adénine, guanine, uracile et cytosine.

• 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.

• La réplication de l'ADN est semi-conservatrice et bidirectionnelle : chaque brin parental sert de matrice, l'ADN polymérase lit le brin matrice de 3' vers 5' et synthétise le nouveau brin de 5' vers 3' à partir d'une amorce. — Meselson et Stahl, 1958

• La correction sur épreuve de l'ADN polymérase réduit le taux d'erreur d'appariement d'environ 10⁻⁴ à 10⁻¹¹ en conditions physiologiques grâce à son activité exonucléase 3' vers 5'.

• La transcription produit un ARN à partir de l'ADN : l'ARN polymérase lit le brin antisens de 3' vers 5' et synthétise l'ARNm de 5' vers 3', puis l'ARNm reçoit une coiffe 5', une queue polyA 3' et un épissage des introns.

• Le code génétique utilise des codons de trois bases portés par l'ARNm pour spécifier vingt acides aminés.

📌 Les codons STOP UAA, UAG et UGA provoquent, avec des facteurs de libération, la libération du peptide et la dissociation des deux sous-unités du ribosome.

Compléments

• Le génome d'Escherichia coli est constitué d'une molécule d'ADN circulaire d'environ 4,6 × 10⁶ paires de bases, tandis que le génome humain nucléaire compte 3,2 × 10⁹ paires de nucléotides réparties sur plusieurs chromosomes.

💡 Astuce mémo

ADN → transcription → ARNm → traduction → protéine

📖 11. Code génétique et devenir des protéines

★ À maîtriser

• Le code génétique utilise des codons, c’est-à-dire des triplets de bases portés par l’ARNm, pour coder les 20 acides aminés.

• La traduction se déroule dans le cytoplasme avec des ARNt, un ARNm et des ribosomes constitués de petites et grandes sous-unités.

• La peptidyl-transférase de la grande sous-unité ribosomique forme les liaisons peptidiques, puis les codons STOP UAA, UAG et UGA, avec les facteurs de libération, provoquent la libération du peptide et la dissociation du ribosome.

• Les principales modifications post-traductionnelles sont: une glycosylation, une acétylation, une phosphorylation, une ubiquitination, un clivage de la méthionine N-terminale, une protéolyse, un repliement assisté par des protéines chaperonnes Hsp

📌 Chez les procaryotes, la transcription et la traduction sont couplées, et l’ARNm est généralement polycistronique, alors que l’ARNm eucaryote est monocistronique.

Compléments

• Les protéines sont transportées du réticulum endoplasmique vers l’appareil de Golgi par voie vésiculaire, puis vers les vésicules de sécrétion et la membrane plasmique ou vers les lysosomes.

💡 Astuce mémo

Traduction → maturation → adressage membranaire

📖 12. Structure et fonctionnement enzymatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Enzyme : Protéine catalytique qui accélère une réaction chimique sans y participer directement.
• Énergie d’activation : Énergie nécessaire pour atteindre l’état de transition et passer du substrat au produit.
• Site actif : Petite cavité de l’enzyme, formée par le repliement tridimensionnel d’acides aminés parfois éloignés dans la séquence primaire, qui fixe les substrats, catalyse la réaction et libère les produits.

📝 Points essentiels

• Les enzymes abaissent l’énergie d’activation en permettant d’atteindre un état de transition énergétiquement plus bas.

📐 Formule — La constante de dissociation vérifie K_d = \\frac{\[E\]\[S\]}{\[ES\]} = \\frac{1}{K_a}, où [E], [S] et [ES] sont les concentrations à l’équilibre de l’enzyme libre, du substrat libre et du complexe enzyme-substrat.

📌 La spécificité d’action désigne le type de réaction catalysée, tandis que la spécificité de substrat désigne la gamme de molécules que l’enzyme peut traiter.

💡 Astuce mémo

Le site actif comme une poche qui saisit, transforme puis libère le substrat

📖 13. Cinétique et régulation enzymatiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Constante de Michaelis : La constante de Michaelis $K_M$ correspond à la concentration de substrat associée à une vitesse égale à la moitié de $V\_{max}$ et ne mesure pas directement l’affinité.
• Allostérie : Modification de l’activité enzymatique provoquée par un changement de conformation spatiale, souvent après fixation d’un effecteur sur un site secondaire ou interaction entre sous-unités.

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour une enzyme michaelienne, la vitesse suit l’équation de Michaelis-Menten v = \\frac{V\_{max}\[S\]}{K_M+\[S\]} et augmente avec [S] jusqu’à un plateau.

📐 Formule — La constante catalytique vérifie k\_{cat}=\\frac{V\_{max}}{\[\\text{sites actifs}\]} et s’exprime en $s^{-1}$.

📌 Une inhibition compétitive résulte de la fixation de l’inhibiteur sur le site actif, tandis qu’une inhibition non compétitive résulte de sa fixation sur un site distinct qui déforme indirectement le site actif.

Compléments

• L’anhydrase carbonique possède une constante catalytique approchant $10^{6}\\ s^{-1}$ et peut produire jusqu’à un million d’ions bicarbonate par seconde selon les conditions.

💡 Astuce mémo

Michaelis-Menten : hyperbole ; allostérie : sigmoïde

📖 14. Métabolisme et vecteurs énergétiques

★ À maîtriser

📌 Le catabolisme dégrade des molécules complexes en molécules simples et libère de l’énergie, tandis que l’anabolisme synthétise des molécules complexes et consomme de l’énergie.

• Les vecteurs énergétiques sont:

  • ATP
  • GTP
  • NADH
  • NADPH
  • FADH₂

• L’ATP est un nucléotide constitué de ribose, d’adénine et de trois groupements phosphates, dont les liaisons α-β et β-γ sont riches en énergie avec une valeur de ΔG′° de −30,5 kJ mol⁻¹.

• Dans la mitochondrie, la chaîne respiratoire transfère les électrons du NADH et du FADH₂ vers O₂, pompe des protons vers l’espace intermembranaire, puis l’ATP synthase utilise leur retour vers la matrice pour produire de l’ATP.

Compléments

📐 Formule — La réduction du NAD⁺ s’écrit $\\mathrm{NAD^+ + 2H^+ + 2e^- \\rightarrow NADH + H^+}$.

• Chaque NADH empruntant la chaîne respiratoire produit indirectement 3 ATP, tandis que chaque FADH₂ en produit 2.

💡 Astuce mémo

Catabolisme → vecteurs énergétiques → anabolisme

📖 15. Organisation et transcription bactériennes

🔑 Notions clés & Définitions

• Séquence de Shine-Dalgarno : Site de fixation du ribosome situé 7 bases en amont du codon d’initiation dans de nombreux gènes bactériens.
• Séquence consensus : Séquence idéalisée dans laquelle chaque position correspond à la base ou à l’acide aminé le plus fréquemment observé après alignement de séquences réelles.

★ À maîtriser

📌 Un gène bactérien monocistronique produit un ARN et une protéine, tandis qu’un groupe polycistronique produit un ARN portant plusieurs cistrons, chacun pouvant produire une protéine indépendante.

Compléments

• Chez Escherichia coli, la transcription se déroule à environ 2500 nucléotides par minute, soit environ 14 codons par seconde, tandis que la traduction se déroule à environ 15 codons par seconde.

• Le génome d’Escherichia coli K12 est entièrement séquencé depuis 1997, contient environ 4,6 × 10⁶ paires de bases et code environ 4200 protéines.

💡 Astuce mémo

Promoteur → transcription → RBS → traduction

📖 16. Régulation des voies métaboliques

🔑 Notions clés & Définitions

• Voie métabolique : Enchaînement de réactions successives dans lequel le produit d’une étape devient le substrat de l’étape suivante, chaque étape étant catalysée par une enzyme distincte.

📝 Points essentiels

📌 La rétro-inhibition est un effet allostérique dans lequel le produit final d’une voie métabolique inhibe une réaction antérieure et diminue ou arrête le débit global de la voie.

• La glycolyse est une voie catabolique cytoplasmique quasi universelle qui dégrade en 10 étapes une molécule de glucose en deux molécules de pyruvate.

• Le bilan net de la glycolyse est de 2 ATP et 2 NADH par molécule de glucose.

• Le cycle de Krebs se déroule dans la matrice mitochondriale, oxyde complètement le pyruvate en CO₂ et produit par glucose 2 GTP, 4 NADH et 1 FADH₂.

• Le cycle de Calvin-Benson est une voie anabolique des chloroplastes qui utilise l’ATP et le NADPH de la photosynthèse pour synthétiser du glucose à partir du CO₂.

💡 Astuce mémo

Glycolyse et Krebs dégradent ; Calvin-Benson synthétise

📖 17. Promoteurs et facteurs sigma

🔑 Notions clés & Définitions

• ARN polymérase bactérienne : Enzyme composée d’un noyau catalytique α₂ββ′ω et d’un facteur sigma variable, dont l’association forme l’holoenzyme Eσ.
• Promoteur bactérien : Région d’ADN reconnue par le facteur sigma qui dirige l’initiation de la transcription au site +1.

★ À maîtriser

• Le promoteur bactérien minimal comporte généralement une région consensus −10, appelée séquence de Pribnow, et une région −35, séparées d’environ 17 ± 1 bases.

Compléments

• Chez Escherichia coli, le facteur sigma σ⁷⁰ dirige la transcription de la plupart des gènes pendant la phase exponentielle, tandis que σ³² intervient dans la réponse au choc thermique.

• Escherichia coli possède sept facteurs sigma différents, et certaines espèces bactériennes en comptent plus de 60.

💡 Astuce mémo

-35 → -10 → +1

📖 18. Promoteurs bactériens et facteurs sigma

🔑 Notions clés & Définitions

• Promoteur régulé : Promoteur dont l’expression varie en fonction des circonstances sous l’action de protéines régulatrices.
• Opérateur : Séquence d’ADN à laquelle un régulateur possède une affinité et sur laquelle sa fixation influence l’activité du promoteur.
• Tissu : Ensemble de cellules, souvent de différents types, qui concourent à une même fonction.

📝 Points essentiels

• Le facteur sigma reconnaît les régions du promoteur bactérien, recrute le noyau catalytique de l’ARN polymérase et permet le démarrage de la transcription au site +1.

• Les principales régions du promoteur bactérien sont:

  • Séquence -10 de Pribnow
  • Séquence EXT
  • Séquence -35
  • Élément UP riche en AT
  • Discriminateur variable entre -6 et -4

• La séquence -10 est située environ 10 bases en amont du site +1, tandis que la séquence -35 est située environ 35 bases en amont du site +1 et séparée de la séquence -10 par 17 ± 1 bases.

• Chez Escherichia coli, le facteur sigma standard est σ⁷⁰, codé par rpoD, et il permet la transcription de la plupart des gènes pendant la phase exponentielle.

📌 Un opéron regroupe des séquences codantes transcrites ensemble en un seul ARN messager polycistronique, tandis qu’un régulon regroupe des gènes indépendants transcrits en plusieurs messagers mais soumis à une régulation commune.

• L’opéron lactose comprend les trois séquences codantes lacZ, lacY et lacA, dont les produits participent au catabolisme du lactose, sous le contrôle du régulateur LacI codé indépendamment par lacI.

• En absence de lactose, LacI se fixe à l’ADN et réprime l’opéron lactose ; en présence de lactose, l’allolactose se forme et empêche LacI de se fixer à l’opérateur.

📌 Le lactose est à la fois inducteur et substrat de la bêta-galactosidase, tandis que l’IPTG est un inducteur non substrat et le X-Gal un substrat non inducteur.

📌 Une régulation positive correspond à un régulateur fixé qui favorise l’expression, tandis qu’une régulation négative correspond à un régulateur fixé qui défavorise l’expression.

• Lorsque le glucose et le lactose sont présents, les bactéries consomment d’abord le glucose, puis connaissent une phase de latence avant d’utiliser le lactose après synthèse des enzymes de l’opéron lactose. — Galinier A., La répression catabolique ou comment les bactéries choisissent leurs sucres préférés, 2018

• Un taux élevé de glucose diminue l’activité de l’adénylate cyclase et le taux d’AMPc, tandis qu’un taux faible de glucose augmente l’activité de cette enzyme et le taux d’AMPc.

📌 Le complexe CAP-AMPc active l’opéron lactose lorsque le glucose est absent, tandis qu’un faible taux d’AMPc empêche CAP de se fixer et maintient l’opéron inactif même en présence de lactose.

• Les quatre tissus humains sont:
  • Tissu épithélial
  • Tissu conjonctif
  • Tissu musculaire
  • Tissu nerveux

💡 Astuce mémo

Promoteur constitutif : expression stable ; promoteur régulé : expression dépendante du contexte.

📊 Tableaux de synthèse

Principales classes de molécules

Comparaison des compartiments cellulaires