Chapitre 1 les cellules et leur

génomes

Les caractères universels de la vie sur terre

• Toute organisme vivant est fait de cellules

• Remarquable variété des caractères

individuels

• Remarquable constance des mécanismes

fondamentaux

…il existe 10 principes universels de la vie sur terre

1. Toutes les cellules conservent l’information héréditaire sous la même forme: le code chimique linéaire de l’ADN

2. Toutes les cellules reproduisent leur information génétique par polymérisation complémentaire

3. Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la même forme intermédiaire: le RNA

4. Toutes les cellules utilisent les protéines comme catalyseurs

5. Toutes les cellules traduisent leur RNA en protéine de la même manière

10 principes universels de la vie sur terre

6. Le fragment de l’information génétique correspondant à une protéine est un gène

7. La vie a besoin d’énergie libre8. Toutes les cellules fonctionnent comme des

usines biochimiques qui utilisent toutes les mêmes composants moléculaires de base

9. Toutes les cellules sont limitées par une membrane au travers de laquelle les aliments et les déchets doivent passer

10. Une cellules peut vivre avec moins de 500 gènes

Structure de l’ADN1. L’ADN est fait de sous-unités simples

phosphate

Sucre phosphaté base

sucre

2. Brin d’ADN: nucléotides reliés par des liaisons sucre-phosphate

3. Polymérisation complémentaire d’un nouveau brin d’ADN

Nucléotide monomeres

nucléotide

3. Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la

même forme intermédiaire: le RNA

Les cellules utilisent leurs archives pour guider la synthèse des autres molécules de la cellule en passant par deux étapes

Information linéaire sur polymères

nucléotidique

- desoxyribonucléotidesADN

- ribonucléotidesARN

d’acides aminésprotéines

1

Synthèse de l’ARNtranscription

Synthèse protéiquetranslation2

Synthèse de DNA replication

3. Toutes les cellules transcrivent une partie de leur information génétique sous la

même forme intermédiaire: le RNA

DNA double brin: archive

brin utilisé comme matrice pour la synthèse de l’ARN

transcription

Production denombreuses copiesidentiques d’ARNTranscrits, porteusesd’information

Les cellules doivent utiliser leurs archives pour guider la synthèse des autres molécules de la cellule en passant par deux étapes

4.Toutes les cellules utilisent les protéines comme catalyseurs

• protéine = chaîne polymérique non-branchée constituée d’acides aminés

• Protéine = polypeptide

• Acides aminés

H2N C COOH

H

R

Carbone alpha

Groupement carboxyl

Groupement amine

chaîne latérale: il existe 20 chaînes latérales différentes

Les protéines sont des polypeptides

Extrémité N-terminal

Extrémité C-terminal

Liaisons peptidiques

Chaines latéralesSquelette polypeptidique

Le fonctionnement des ribosomes

Etape 1

Etape 2

Etape 3

Etape 4

chaîne polypeptidique s’allongeant

ARNt chargé d’un aa

ARNm

2 sous-unités du ribosome

Formation d’une membrane par l’aggrégation de molécules

amphipathiquesmonocouche de phospholipides

bi-couche phospholipidique

La vie peut utiliser différentes formes d’énergie libre

organotrophique

lithotrophique phototrophique

énergie chimique inorganique énergie solaire

énergie organique

algues, plantes bactériesbactéries (p. ex des fonds marins)

basalte chaud

solution minérale chaude

Bactéries lithotrophiques des fonds marins

bactéries anaérobiques

lithotrophiques

eau chaude riche en minéraux

cheminée hydrothermique

( métaux soufrés)

350°C

plancher de l’océan

2-3°C

infiltration d’eau

communauté d’invertébrés H2S, Fe++

CO, Mn++, Ni++, CH2

NH4+

L’arbre de vie à 3 branches

cellule ancestrale commune

1 différence/10 nucléotides

maïs

homme

levure

PROKARYOTES EUKARYOTES

1. membrane nucléaire

absente présente

2. taille des cellules petite grande

3. paroi cellulaire rigide membrane souple

4. génome génome compact 106 - 107 pb1000- 4000 gènes

large génome106 - 107 pb6000 – 30000 gènes

5. organisation intracellulaire

pas de compartiments cellulaires

compartiments cellulaires et cytosquelette

6. organismes unicellulaire (unicellulaires= protistes) pluricellulaires

Apparition de gènes et évolution des génomes

1. Les nouveaux gènes sont formés à partir de gènes pré-existants

2. La duplication de gènes donne naissance à une famille de gènes semblables dans une cellule

3. Les gènes peuvent être transmis d’un organisme à l’autre

4. L’échange horizontal d’information génétique dans une espèce est réalisée par la reproduction sexuée

1. Les nouveaux gènes sont formés à partir de gènes pré-existants

génome original innovation génétiqueMUTATION

INTRAGENIQUE

DUPLICATION DE GENE

REARRANGEMENTDE SEGMENTS

GENIQUES

Duplication de gènes à l’intérieur d’une espèce

Gènes A et B sontorthologues

Fonction conservée

SEPARATION EN 2 ESPECES

DISTINCTES

DUPLICATION GENIQUE ET DIVERGENCE

Organisme ancestral Organisme ancestral

Organisme ancestralplus tardif

Gènes A et B sontParalogues

Fonctions divergentes

espèce A espèce B

Rôle du transfert horizontal de gènes au début de l’évolution

eubactériesarchaebactéries eukaryotes

Cellules modernes, échangeant Rarement des gènes

Transfert fréquent des gènes dans la communauté de cellules primordiale

>200 familles de gènes sont conservées parmi les vivants des 3 branches de « l’arbre

de vie »

• La fonction d’un gène est souvent prévisible par l’analyse de sa séquence

• La fonction d’un gène se révèle par ses mutations (approches génétique et biochimique)

• En comparant les génomes de 2 archaebactéries, de 2 eubactéries, et d’un eukaryotes, on identifie 239 familles de gènes conservées– Translation: 61– Transport/métabolisme des aa : 40

La mitochondrie descend d’une eubactérie aérobique phagocytée par une cellule

eukaryote anaérobique

membrane interne

cellules eucaryote ancestrale anaérobique

noyaucellule eucaryote primitive

mitochondrie avec double membranebactérie

aérobique

-1.5 109 années

Le chloroplaste descend d’une eubactérie photosynthétique phagocytée par une cellules

eukaryotes aérobique

bactéries photosynthétiquechloroplastes

cellule eucaryote primitive aérobique

cellule eucaryote primitivecapable de photosynthèse

02 + CO2 sucres

Lumière du soleil

cellule eucaryote primitivedépend de matière organique

membrane soupledéplacement

capture

CHASSE

cellule végétalephotosynthèse

paroi rigideimmobile

ELEVAGE

cellule de champignon/levuredépend de matière organique membrane relativement rigide

captureimmobile

PARASITE

Différences entre les génomes Prokaryotes

(eubactéries)

Eukaryotes

(homme)

Taille du génome 109 paires de bases

109 paires de bases

X1000

Nombre de gènes 1.500 30.000

X20

ADN non codant 11% 98.5%

X 10.000

Prokaryote modèle: E coli

E coli4.639.221 nucléotides

origine de replication

fin de replication

classe eubactérie

avantage Croissance rapide sur milieu simple

génome Circulaire

4.6 megabases

# gènes 4300

information compacte

Une levure comme modèle eukaryote minimal: Saccharomyces cervisiae

classe champignon

avantage Croissance rapide sur milieu simple

taille du génome

12.6 megabases

# de gènes 6.300

information compacte

utilité Division cellulaire

noyau paroi cellulaire

mitochondrie

Modèle de plante:Arabidopsis thaliana

classe plante

avantage milliers de pousses en 8-10 semaines

taille du génome 140 mégabases

# de gènes 26.000

information +/- compacte

utilité représentatif des plantes à fleur

Le monde animal est représenté par un vers, une mouche, une souris et

l’hommesouris homme

classe mammifère mammifère

avantage Reproduction rapide médecine, évolution,…

taille du génome 3.2 gigabases

# de gènes 30.000

information Duplications++

ADN non-codant+++

Duplications++

ADN non-codant+++

utilité Phénotype des mutations

les cellules et leur génomes résumé

• Toute organisme vivant est fait de cellules

• Remarquable constance des mécanismes

fondamentaux: 10 principes essentiels

• Remarquable variété des caractères individuels:

– Les génomes évoluent

– l’arbre de vie à 3 branches

– La comparaison des génomes révèle le rôle des gènes,

le fonctionnement des organismes et la relation

évolutive des espèces