Fiche de révision : Unité et diversité du vivant

📋 Plan du Cours

1. ADN, protéines et information génétique
2. Structure et propriétés des acides nucléiques
3. Dogme central et code génétique
4. Gènes et génomes
5. Théorie cellulaire et types cellulaires
6. Enveloppes et organisation cellulaires
7. Organisation du génome eucaryote
8. Métabolisme et besoins cellulaires
9. Organisation cellulaire et métabolisme énergétique
10. Nutrition et prélèvement des nutriments
11. Reproduction conforme et division cellulaire
12. Variation génétique et reproduction sexuée
13. Histoire et principes des classifications
14. Méthodes de classification phylogénétique
15. Espèces et groupes taxonomiques
16. Distances moléculaires entre taxons
17. Arbre phylogénétique du vivant
18. Caractéristiques et organisation du vivant

📅 Repères chronologiques

1. 1665Robert Hooke observe des structures du liège au microscope et leur donne le nom de cellules
2. 1839Matthias Schleiden et Theodor Schwann généralisent la théorie cellulaire à l'ensemble du vivant
3. 1858-1861Rudolf Virchow et Louis Pasteur montrent que toute cellule provient d'une cellule préexistante et réfutent la génération spontanée

📖 1. ADN, protéines et information génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• ADN : Macromolécule biologique présente dans toutes les cellules et chez de nombreux virus, qui porte l'information génétique et participe indirectement à la production des protéines responsables de nombreuses caractéristiques du phénotype.
• Protéine : Chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques et réalisant une fonction biologique précise.
• Séquence : Suite ordonnée de monomères capable de porter une information ou une fonction.

★ À maîtriser

• Les protéines sont constituées à partir de 20 acides aminés différents, dont les propriétés chimiques varient notamment par leur taille, leur acidité et leur hydrophobie.

Compléments

📌 Les acides nucléiques et les protéines sont des hétéropolymères orientés formant des séquences, présents et synthétisés chez les êtres vivants, et reliés par le code génétique.

💡 Astuce mémo

ADN → ARN → protéine → phénotype

📖 2. Structure et propriétés des acides nucléiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléotide : Monomère des acides nucléiques comprenant une base azotée, un sucre et un groupement phosphate.

📝 Points essentiels

• La polymérisation des nucléotides se fait par une liaison phosphoester entre le carbone 5' portant le phosphate et le carbone 3' portant le groupement hydroxyle, selon une orientation 5' vers 3'.

• Les cinq bases azotées sont:

  • la cytosine
  • l'uracile
  • la thymine
  • l'adénine
  • la guanine

• L'ADN utilise les bases A, C, G et T, tandis que l'ARN utilise les bases A, C, G et U.

• L'ADN contient du désoxyribose avec un hydrogène en position 2', tandis que l'ARN contient du ribose avec un groupement OH en position 2'.

• L'ADN est généralement bicaténaire et plus stable dans l'eau, tandis que l'ARN est généralement monocaténaire et instable dans l'eau.

• Dans l'ADN, l'adénine s'apparie avec la thymine et la guanine avec la cytosine par des liaisons hydrogène entre les deux brins complémentaires.

💡 Astuce mémo

ADN bicaténaire et stable, ARN monocaténaire et instable

📖 3. Dogme central et code génétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Réplication : Synthèse d'ADN à partir d'un ADN matrice, catalysée par l'ADN polymérase.
• Transcription : Synthèse d'un ARN à partir d'un ADN matrice, catalysée par l'ARN polymérase.
• Traduction : Synthèse d'un peptide à partir d'un ARN messager grâce aux ARN ribosomiques, aux ARN de transfert et au ribosome.
• Code génétique : Établit la correspondance entre les triplets de nucléotides des ARN messagers, appelés codons, et les acides aminés des protéines.

📝 Points essentiels

• Le passage d'un gène à une protéine comprend la transcription de l'ADN en ARN messager, puis la traduction de l'ARN messager en une séquence d'acides aminés par le ribosome.

• Le code génétique est dégénéré car 64 codons codent seulement 20 acides aminés, plusieurs codons pouvant donc correspondre au même acide aminé.

• Le codon AUG initie généralement la traduction et les codons UAG, UGA et UAA provoquent sa terminaison.

💡 Astuce mémo

Réplication → transcription → traduction

📖 4. Gènes et génomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Gène : Séquence orientée d'ADN génomique produisant un ARN fonctionnel et constituant une unité de base de l'information génétique.
• Génome : Ensemble du matériel génétique d'un organisme, principalement constitué d'ADN et parfois d'ARN chez certains virus.

★ À maîtriser

📌 Les séquences codantes sont transcrites en ARN messagers puis traduites en protéines, tandis que les séquences non codantes ne sont pas transcrites ou sont transcrites en ARN non traduit.

Compléments

• Le génome humain haploïde contient environ 3,2 milliards de paires de nucléotides et le génome humain possède environ 3200 mégapaires de bases.

• Le séquençage complet du génome humain, entrepris en 1990, a été publié le 1er janvier 2003 dans la revue Nature.

💡 Astuce mémo

Procaryote : génome compact ; eucaryote : génome compartimenté

📖 5. Théorie cellulaire et types cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Théorie cellulaire : Affirme que la cellule est l'unité structurale, fonctionnelle et reproductrice de l'être vivant, et que toute cellule provient d'une cellule préexistante.

📝 Points essentiels

• Les organismes unicellulaires sont constitués d'une seule cellule, tandis que les organismes multicellulaires en possèdent plusieurs et comprennent notamment les plantes, les animaux et les champignons.

💡 Astuce mémo

Hooke → Leeuwenhoek → Schleiden et Schwann → Virchow et Pasteur

📖 6. Enveloppes et organisation cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Membrane plasmique : Barrière hydrophobe semi-perméable qui assure une perméabilité sélective entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule.

★ À maîtriser

• Les phospholipides sont amphiphiles et s'organisent dans l'eau en bicouche, avec leurs extrémités hydrophiles orientées vers les milieux aqueux.

• La membrane plasmique est une mosaïque fluide de phospholipides et de protéines, ces dernières participant notamment au transport des nutriments et à la réception des signaux extérieurs.

📌 Les bactéries Gram négatif possèdent deux membranes séparées par un périplasme contenant une fine couche de peptidoglycane, tandis que les bactéries Gram positif possèdent une membrane et une épaisse paroi de peptidoglycane.

📌 La paroi des plantes est principalement composée de cellulose, tandis que la paroi des champignons est principalement composée de chitine, sauf chez les zygomycètes où elle est composée de cellulose.

Compléments

• La paroi végétale contient 25 à 30 % de cellulose, 30 à 65 % d'hémicellulose, 5 à 35 % de pectines et 0,5 à 5 % de protéines.

💡 Astuce mémo

Membrane commune, paroi ou matrice selon les organismes

📖 7. Organisation du génome eucaryote

📝 Points essentiels

📌 Chez les procaryotes, le génome est généralement constitué d'un chromosome circulaire situé dans le nucléoïde et la transcription est couplée à la traduction, tandis que chez les eucaryotes le génome nucléaire est organisé en chromosomes linéaires et la transcription précède la traduction dans des compartiments distincts.

• Le génome procaryote porte généralement un chromosome circulaire et peut aussi contenir un ou plusieurs plasmides circulaires portant des gènes non essentiels à la survie cellulaire.

• Chez les eucaryotes, l'ADN nucléaire est associé à des histones dans la chromatine et le noyau contient un nucléole où sont transcrits les ARN ribosomiques.

• 🔄 La transcription procaryote comprend: l'initiation avec fixation de l'ARN polymérase au promoteur, l'élongation avec synthèse de l'ARNm en 5' vers 3', la terminaison avec libération du transcrit et de l'ARN polymérase

• 🔄 La maturation des ARN messagers eucaryotes comprend:

  1. l'épissage
  2. l'ajout d'une coiffe en 5'
  3. l'ajout d'une queue poly-A
  4. l'exportation vers le cytoplasme

📌 Un génome haploïde contient un exemplaire de chaque chromosome, un génome diploïde contient deux exemplaires et un génome polyploïde en contient plus de deux.

💡 Astuce mémo

Procaryotes : transcription-traduction couplées ; eucaryotes : séparées

📖 8. Métabolisme et besoins cellulaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Métabolisme : Ensemble des réactions chimiques par lesquelles les biomolécules sont synthétisées à partir de molécules élémentaires ou dégradées en molécules élémentaires réutilisées ou rejetées.
• Anabolisme : Synthèse de biomolécules à partir de molécules élémentaires.
• Catabolisme : Dégradation de biomolécules en molécules élémentaires réutilisées ou rejetées dans l'environnement.

📝 Points essentiels

• La nutrition cellulaire fournit: de l'énergie chimique utilisable, des éléments de base pour la biosynthèse, les nutriments essentiels éventuellement non synthétisés par l'organisme

💡 Astuce mémo

Anabolisme construit, catabolisme dégrade

📖 9. Organisation cellulaire et métabolisme énergétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Cytosquelette : Réseau de filaments protéiniques, notamment de microtubules constitués de tubuline et de microfilaments d’actine, qui maintient l’organisation interne et la forme de la cellule eucaryote.
• Enzyme : Biocatalyseur qui abaisse l’énergie d’activation d’une réaction et en accélère la vitesse sans être modifié au cours de la réaction.
• Mitochondrie : Organite présent dans toutes les cellules eucaryotes, siège de réactions d’oxydo-réduction consommant de l’oxygène et produisant de l’ATP.
• Chloroplaste : Organite responsable de la photosynthèse chez les végétaux, dont la phase photochimique se déroule dans les grana et la phase chimique dans le stroma.

★ À maîtriser

📌 Chez les procaryotes, le génome n’est pas fragmenté et la transcription est couplée à la traduction dans le cytoplasme, tandis que chez les eucaryotes le génome est compartimenté et la transcription nucléaire est séparée de la traduction cytoplasmique.

📌 Une réaction exergonique est spontanée et possède une variation négative de l’enthalpie libre de Gibbs, tandis qu’une réaction endergonique nécessite un apport d’énergie et possède une variation positive.

• L’ATP est une molécule riche en énergie produite par les cellules vivantes et utilisée comme donneur d’énergie pour coupler des réactions exergoniques à des réactions endergoniques.

📌 La phototrophie utilise la lumière absorbée par des pigments comme source d’énergie, tandis que la chimiotrophie utilise l’oxydation de molécules minérales ou organiques.

Compléments

• Le cytosquelette participe au transport cytoplasmique des molécules, au déplacement des organites, à la division du noyau et aux déformations cellulaires comme la contraction, la migration, le mouvement et la phagocytose.

💡 Astuce mémo

Procaryote : génome non fragmenté et couplage ; eucaryote : noyau, séparation et maturation de l’ARNm

📖 10. Nutrition et prélèvement des nutriments

🔑 Notions clés & Définitions

• Nutrition : Fournit aux cellules l’énergie chimique utilisable, les éléments nécessaires à la biosynthèse et les nutriments essentiels éventuellement non synthétisés par l’organisme.
• Auxotrophie : Incapacité à synthétiser une molécule donnée, qui doit donc être trouvée telle quelle dans l’alimentation.
• Biomasse : La biomasse désigne soit l’ensemble de la matière organique des organismes vivants, soit la matière organique issue d’êtres vivants et utilisée à des fins alimentaires ou industrielles.

📝 Points essentiels

• La biomasse contient principalement de l’eau, à plus de 60 %, et une matière sèche majoritairement constituée de molécules organiques et minoritairement de molécules minérales ionisées.

• Les neuf macroéléments abondants de la biomasse sont O, C, H, N, S, P, K, Ca et Mg, tandis que les sept microéléments essentiels sont Fe, Mn, Zn, Cu, Mo, B et Cl.

📌 Un organisme autotrophe produit sa matière organique à partir de matière minérale, tandis qu’un organisme hétérotrophe doit utiliser des constituants organiques préexistants.

💡 Astuce mémo

Autotrophe : matière minérale ; hétérotrophe : matière organique

📖 11. Reproduction conforme et division cellulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Reproduction conforme : Produit à partir d’un individu plusieurs individus génétiquement identiques, sauf en cas de mutation, formant ainsi des clones.

★ À maîtriser

• La réplication semi-conservative de l’ADN sépare les deux brins parentaux, puis chaque brin sert de matrice à la synthèse d’un brin complémentaire, ce qui produit deux molécules identiques à la molécule initiale.

• Les mutations correspondent à des changements de la séquence d’ADN, notamment des délétions, substitutions ou insertions de nucléotides, et leur fréquence non corrigée est de l’ordre de 10⁻⁹ à 10⁻⁶.

📌 Chez les procaryotes, la division cellulaire se fait par scissiparité, tandis que chez les eucaryotes la mitose assure la multiplication asexuée et la méiose la reproduction sexuée.

• 🔄 Le cycle cellulaire eucaryote comprend:
  1. Interphase avec réplication du génome
  2. Phase M correspondant à la mitose
  3. Cytokinèse séparant le cytoplasme

Compléments

• En conditions optimales, le temps de doublement d’une population procaryote est d’environ 20 minutes et une cellule peut produire 2⁷² cellules en 24 heures.

💡 Astuce mémo

Réplication de l’ADN → division cellulaire → cellules filles

📖 12. Variation génétique et reproduction sexuée

🔑 Notions clés & Définitions

• Reproduction sexuée : Produit une descendance génétiquement variée grâce à la méiose, au brassage des chromosomes et des allèles et à la fécondation de gamètes compatibles.

📝 Points essentiels

📌 Le transfert vertical transmet les gènes de la cellule mère à sa descendance, tandis que le transfert horizontal déplace des gènes entre organismes qui ne sont pas dans une relation de descendance directe.

• Chez les procaryotes, le transfert horizontal de gènes repose sur la transformation, la conjugaison ou la transduction.

• La méiose produit quatre cellules haploïdes à partir d’une cellule diploïde ayant préalablement répliqué son ADN.

• La reproduction sexuée crée de la diversité par recombinaison interchromosomique, recombinaison intrachromosomique par crossing-over et réunion aléatoire de deux génomes haploïdes lors de la fécondation.

📌 Chez les procaryotes, le brassage génétique est partiel et généralement horizontal par conjugaison, transformation ou transduction, tandis que chez les eucaryotes il est complet et vertical grâce à la méiose et à la fécondation.

💡 Astuce mémo

Méiose → recombinaisons → fécondation → zygote génétiquement nouveau

📖 13. Histoire et principes des classifications

🔑 Notions clés & Définitions

• Classification linnéenne : Carl von Linné, 1707-1778 — La classification linnéenne organise les organismes en sept rangs hiérarchiques : règne, embranchement, classe, ordre, famille, genre et espèce.
• Nomenclature binominale : Carl von Linné — La nomenclature binominale désigne chaque espèce par un nom latin formé du genre avec une majuscule et de l’espèce avec une minuscule, écrits en italique ou soulignés.

★ À maîtriser

📌 Le transformisme de Lamarck explique l’évolution par la transmission héréditaire des caractères acquis et la loi d’usage et de non-usage, tandis que Darwin l’explique par la variation, l’ascendance commune et la sélection naturelle. — JB Lamarck, 1744-1829

• Chez la phalène du bouleau en Angleterre, l’écotype sombre représentait 98 % de la population en 1954, puis l’écotype clair redevenait majoritaire en 2008 sous l’effet d’une prédation différentielle liée à la couleur de l’écorce.

Compléments

• Aristote a proposé une classification fondée notamment sur la possession ou non de sang et a défendu une échelle hiérarchique de la nature allant des minéraux aux astres.

💡 Astuce mémo

Aristote → Linné → Lamarck → Darwin

📖 14. Méthodes de classification phylogénétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Classification phylogénétique : Représente l’histoire évolutive des espèces en regroupant dans des clades les organismes partageant des ancêtres communs.
• Méthode phénétique : Classe les organismes en quantifiant leur ressemblance globale par une distance entre taxons, notamment grâce à la comparaison de séquences moléculaires.

📝 Points essentiels

📌 Une homologie est une ressemblance due à une ascendance commune, tandis qu’une homoplasie est une ressemblance similaire qui ne provient pas d’un ancêtre commun.

📌 Un caractère ancestral précède l’apparition d’un clade, tandis qu’un caractère dérivé propre constitue une innovation exclusivement présente dans ce clade.

• 🔄 La construction d’un cladogramme suit ces étapes:
  1. Choisir les taxons et les caractères
  2. Ajouter un groupe externe
  3. Polariser et coder les caractères
  4. Construire plusieurs arbres
  5. Retenir l’arbre le plus parcimonieux

📐 Formule — La distance entre deux taxons correspond au pourcentage d’acides aminés différents entre les deux espèces : $D = \frac{\text{nombre d’acides aminés différents}}{\text{nombre total d’acides aminés comparés}} \times 100$.

💡 Astuce mémo

Cladistique : caractères et parcimonie ; phénétique : distances et ressemblances

📖 15. Espèces et groupes taxonomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Espèce biologique : E. Mayr — Ensemble de populations dont les membres peuvent se reproduire entre eux et produire une descendance viable et fertile, tout en étant isolés reproductivement des autres populations.

📝 Points essentiels

📌 Un taxon monophylétique comprend un ancêtre et tous ses descendants, un taxon paraphylétique comprend un ancêtre et une partie seulement de ses descendants, et un taxon polyphylétique provient de plusieurs ancêtres.

• Le concept biologique de l’espèce n’est pas absolu, car des flux de gènes existent entre espèces distinctes et la barrière reproductive n’a pas de sens chez les bactéries et les archées.

💡 Astuce mémo

Monophylétique : ancêtre et tous ses descendants ; paraphylétique : descendants incomplets

📖 16. Distances moléculaires entre taxons

★ À maîtriser

• 🔄 La comparaison phylogénétique moléculaire suit plusieurs étapes:

  1. Comparer des séquences d'acides nucléiques ou de protéines
  2. Calculer les distances entre taxons
  3. Regrouper les taxons dont la distance est la plus faible

• Dans l'exemple fondé sur 142 acides aminés de l'hémoglobine alpha, la distance entre l'homme et la roussette est de 9,93 %, contre 29,79 % entre l'homme et le coq et 31,21 % entre la roussette et le coq.

Compléments

• Lors du regroupement de l'homme et de la roussette dans l'ensemble M, la distance moyenne à la carpe est de 51,40 % et celle au coq est de 30,50 %, ce qui conduit à une distance de branche de 15,25 % pour le regroupement suivant.

💡 Astuce mémo

Comparer les séquences → calculer les distances → regrouper les taxons

📖 17. Arbre phylogénétique du vivant

★ À maîtriser

• L'arbre phylogénétique du vivant peut être enraciné grâce aux travaux de Carl Woese utilisant l'ARNr 16S.

📌 L'arbre phylogénétique du vivant le plus probable est une synthèse d'arbres validés par plusieurs méthodes, car le choix des caractères homologues et des séquences analysées comme marqueurs reste déterminant et des incertitudes subsistent.

• Les Eucaryotes sont issus d'une combinaison impliquant une archébactérie, des transferts horizontaux de gènes et l'acquisition de nouveaux organites par endosymbioses de bactéries.

• L'endosymbiose d'une cellule eucaryote avec une cyanobactérie est à l'origine de la cellule végétale et du clade des Plantes, la cyanobactérie devenant le chloroplaste.

• L'origine endosymbiotique des mitochondries et des chloroplastes est étayée par leur double membrane, leur ADN et leurs ribosomes proches de ceux des bactéries.

Compléments

• Les Archées et les Bactéries actuelles résultent de multiples transferts horizontaux de gènes dans et entre ces deux groupes.

• L'hypothèse d'un ancêtre unique du vivant, LUCA, paraît moins probable qu'un réseau d'organismes primitifs de type procaryote soumis à un fort taux de transferts horizontaux de gènes.

💡 Astuce mémo

Endosymbiose → acquisition des organites → diversification des eucaryotes

📖 18. Caractéristiques et organisation du vivant

🔑 Notions clés & Définitions

• Vivant : Combinaison d'organisation cellulaire, d'utilisation de nutriments et d'énergie externes, de régulation d'un milieu intérieur, de sensibilité et d'adaptation à l'environnement, d'information héréditaire génomique, de croissance, de développement, de reproduction conforme et de capacité d'évolution.
• Propriété émergente : Apparaît à un niveau du vivant grâce à la disposition ordonnée et aux interactions entre les structures du niveau inférieur.

★ À maîtriser

• Les niveaux d'organisation du vivant sont, dans l'ordre, les atomes, les molécules, les organites, les cellules, les tissus, les organes, les organismes, les populations, les communautés, les écosystèmes et la biosphère.

📌 L'approche réductionniste étudie les éléments séparément, tandis que l'approche holistique ou biologie des systèmes étudie leurs interactions et leur organisation globale.

• L'adaptation aux modifications environnementales permet de maintenir la fitness d'une espèce, c'est-à-dire son succès reproductif.

📌 La structure et la fonction sont corrélées à tous les niveaux d'organisation du vivant, car la fonction d'une protéine dépend de sa conformation tridimensionnelle.

• La cellule est l'unité de base du vivant en termes de structure et de fonction, et la continuité de la vie repose sur la transmission d'une information héréditaire sous forme d'ADN.

• Selon les besoins, le glucose peut être dégradé par catabolisme pour produire de l'énergie ou synthétisé par anabolisme et stocké sous forme de glycogène ou de lipides chez les animaux, et d'amidon ou de lipides chez les végétaux.

• L'évolution rend compte à la fois de l'unité et de la diversité du vivant.

• Les relations entre les trois domaines du vivant sont étudiées à partir d'un arbre phylogénétique construit avec des séquences d'ARN ribosomiques.

Compléments

• Les composantes de l'environnement sont:

  • Biologiques
  • Physiques
  • Chimiques

• Il existe une roche sédimentaire portant des stromatolites, structures en feuillets construites par des bactéries photosynthétiques, datant de 3,7 milliards d'années au sud-ouest du Groenland.

📌 Le dogme central de la biologie moléculaire est respecté par toutes les cellules actuelles, mais son évolution historique et la mise en place de ses mécanismes moléculaires restent questionnées par une hypothèse encore controversée.

💡 Astuce mémo

Atome → molécule → organite → cellule → tissu → organe → organisme → population → communauté → écosystème → biosphère

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison procaryotes et eucaryotes

Comparaison des enveloppes bactériennes