L'unité chimique et structurale du vivant

PLAN DU COURS 

L'UNITE CHIMIQUE DU VIVANT

I - Le monde minéral et le monde vivant

II - La richesse en eau du vivant

III - Les molécules du vivant

L'UNITE STRUCTURALE DU VIVANT

IV - La cellule : l'unité structurale du vivant

V - Le métabolisme : l'unité fonctionnelle du vivant

VI - L'ADN : support universel de l'information génétique

L'UNITE CHIMIQUE DU VIVANT 

Une des propriétés des êtres-vivants est de fabriquer leur matière à partir des éléments disponibles dans leur milieu de vie. Le milieu de vie est constitué d'éléments d'autres êtres-vivants et du monde minéral (eau, atmosphère et roches constituant notre planète).

I- Le monde minéral et le monde vivant 

A/ Rappel sur la notion de molécules et d'élément chimique

Les éléments chimiques sont au nombre de 92 dans l'univers connu. Ils sont rassemblés dans la table périodique des éléments de Dmitri Mendeliev (lien).

Cette table référence tous les éléments connus, et ceux synthétisés par l'homme (situés au bas de la table). Il en existe 118 mais seuls 92 sont d'origine naturelle.

On définit par élément chimique une catégorie d'atomes ayant en commun le même nombre de protons dans leur noyau atomique, ce nombre, noté Z, définissant le numéro atomique de l'élément. Les propriétés chimiques sont déterminées par la configuration électronique de l'atome, qui dépend directement du numéro atomique.

Parmi ces éléments, 94 se rencontrent dans le milieu naturel, et 80 éléments ont au moins un isotope stable : tous ceux de numéros atomiques inférieur ou égal à 82 excepté les éléments 43 et 61.

B/ Les constituants de la matière vivant et minérale

Étudions dans un premier temps les constituants principaux du monde minéral qui est à l'opposé du monde vivant. Les principaux minéraux constituant le monde minéral sur Terre sont :

- le quartz (présent dans le granite)

- la biotite (présente dans le granite)

- l'olivine (présente dans les basaltes et péridotites du manteau)

- le calcaire (présent dans la plupart des roches sédimentaires).

Pour l'essentiel, ces roches et leurs minéraux contiennent les éléments chimiques ci-dessous :

Ces éléments chimiques sont, dans l'ordre d'abondance dans la croûte terrestre :

- l'oxygène (O)

- la silice (Si)

- l'aluminium (Al)

- le calcium (Ca) et le fer (Fe)

- l'hydrogène (H)

- le magnésium (Mg)

- le sodium (Na)

- le potassium (K)

- le manganèse (Mn)

- le titane (Ti).

Sur la structure de l'olivine, nous observons que celle-ci est surtout constituée de 3 éléments chimiques : la silice, le magnésium et l'oxygène.

Sur la structure de la biotite, nous voyons qu'elle est aussi constituée de certains éléments : en gris-marron-vert : la silice, en violet : potassium, en rouge : oxygène,  en blanc : hydrogène.

Sur ce modèle de membrane plasmique, apparaissent :

- l'hydrogène (blanc),

- le carbone (gris),

- l'oxygène (rouge),

- l'azote (en bleu),

- le phosphore (orange).

Étudions dans un second temps la composition de la matière vivante en prenant un exemple : la structure tridimensionnelle de la membrane plasmique (ci-dessous la structure d'une membrane similaire: une membrane lipidique).

Les éléments chimiques présents dans les êtres-vivants sont, dans l'ordre d'abondance :

- l'oxygène,

- le carbone,

- l'hydrogène,

- l'azote (N),

- le phosphore (P)

- le soufre (S)...

Les molécules du vivant sont donc composées de 4 principaux atomes : C, H, O, N auxquels s'associent secondairement du P et du S.

Lorsqu'on chauffe un échantillon d'être-vivant (salade, morceau de viande...) comme un morceau de pain on observe la chose suivante :

BILAN : la matière vivante comme la matière minérale est constituée des mêmes éléments chimiques qui sont tous disponibles sur Terre (croûte et manteau).

Mais la matière vivante se distingue de la matière minérale par sa richesse relative et certains éléments : C, H, O, N, P et S (ou CHNOPS pour le retenir plus facilement).

Ces éléments peuvent s'associer pour former des molécules d'eau (H2O) ou d'autres molécules constituant le vivant.

Le vivant possède aussi la caractéristique d'entrer en combustion quand on le chauffe (la matière organique est composée de matière carbonée).

II - La richesse en eau du vivant

Une expérience simple peut être réalisée pour mettre en évidence la quantité d'eau présente chez tous les êtres-vivants : ils suffit d'ajouter du sulfate de cuivre à différents échantillons d'êtres-vivants et de matière vivante.

Si une coloration bleue apparaît, c'est la preuve de la présence d'eau. Le témoin (où aucun être-vivant n'est placé apparaît blanc, exemple de l'huile sur la photo).

Le tableau ci-dessous donne des pourcentages d'eau dans différents exemples d'êtres-vivants (e-v):

Nous observons que chez la plupart des e-v l'eau représente au moins 65% de la masse totale de l'individu. Les êtres-vivants sont surtout constitués d'eau. Prenons l'exemple de la salade :

La mise à l'étuve de la salade permet l'évaporation de toute l'eau qu'elle contient. On retrouve 9,5g de matière sèche en fin d'expérience : il s'agit de la matière constitutive de la salade lorsqu'on a retiré l'eau. 

Calculons maintenant le pourcentage de matière sèche de cet échantillon de salade :

- au départ nous avions 120 g de salade ==> 100% de la masse totale

- à la fin nous avons 9,5g de salade ==> ? % de la masse totale.

Un produit en croix permet rapidement de connaître le résultat :

 (9,5 X100)/120 = 8%. Il y a donc 8% de matière sèche dans la salade pour 92% d'eau. La salade est donc très riche en eau.

BILAN : les éléments O et H s'associent pour former la molécule d'eau : H2O. Cette molécule es toujours abondante dans les êtres-vivants. Elle est le siège de réactions biochimiques indispensables à la vie et constitue un milieu de vie (océans...) important pour de nombreuses espèces.

III - Les molécules du vivant

Dans le II, nous avons vu que les êtres-vivants sont majoritairement constitués d'eau (H2O). Il s'agit de la principale molécule présente dans un être-vivant. Mais ce n'est pas la seule.

Pour déterminer quelles sont les autres molécules présentes il existe quelques expériences simples à mettre en oeuvre et facile à comprendre. 

Pour les 3 tests ci-dessous, regardez bien la manière de répondre qui est utilisée :

- j'observe que ...

- or je sais que ...

- donc je conclus que ...

C'est, à mes yeux, la meilleure manière de répondre scientifiquement sans oublier de justifier sa réponse.

Le test du papier

Le test du papier consiste à écraser un échantillon de matière organique sur un papier blanc et d'observer l'apparition d'une tâche de "gras". Ce test met en évidence la présence des lipides dans l'échantillon.

Le test du Biuret

Le test du biuret consiste à ajouter de la soude et du sulfate de cuivre à un échantillon (l’expérience). Le témoin ne possède que les 2 solutions (on n’ajoute pas d’échantillon dans le tube). Ce test met en évidence la présence de protides (= protéines) dans l'échantillon par l'apparition d'une coloration violette.

Test à la liqueur de Fehling

Nous testons encore l’échantillon d’œuf. L’expérience est décrite sur le schéma ci-dessous. Le test à la liqueur de Fehling consiste à faire réagir la solution avec l'échantillon de matière organique à la chaleur. Ce test met en évidence la présence de glucides dans l'échantillon par l'apparition d'un précipité rouge brique.

Test au vert de méthyle et à la pyronine

Le vert de méthyle et la pyronine sont des colorants qui se fixent sur les acides nucléiques (comme l'ADN ou l'ARN). Le test au vert de méthyle colore l'ADN en vert. Le test à la pyronine colore l'ADN en rouge.

L'ADN sera étudié en détails dans le cours suivant.

BILAN : les atomes constituant le vivant servent d'éléments chimiques de base pour la formation de molécules, plus ou moins complexes. Certaines expériences mettent ces molécules en évidence. On en dénombre 4 familles : les lipides (test du papier), les glucides (test de Fehling), les protides (test du biuret) et les acides nucléiques, exemple l'ADN, (test à la pyronine).

Les êtres vivants présentent tous les mêmes éléments chimiques majeurs et les même types de molécules organiques et sont riche en eau : cette unité chimique est un indice de la parenté des êtres vivants.

Nous venons de décrire les principales molécules constitutives du vivant. Tous les êtres vivants sont constitués de cellules, plus petites unités possédant toutes les fonctions caractéristiques du vivant (capacités d’échanger matière et énergie avec le milieu, de synthétiser des substances organiques et de se reproduire).

IV - La cellule : l'unité structurale du vivant

Dès la fin du XIIIème siècle, des verres grossissants ont été utilisés pour la correction de la vision. On savait donc à cette époque tailler et polir des lentilles, ce qui permis l’invention du télescope puis du microscope. 

L’utilisation du microscope simple (constitué d’une seule lentille de verre à la manière d’une simple loupe) en histoire naturelle date du XIVème siècle. 

L’invention du microscope composé (formé de deux groupes de lentilles) remonte quant à elle à la fin du XVIème siècle mais la paternité de cette invention est controversée.

Elle est généralement attribuée aux opticiens hollandais Jansen père et fils. Ils auraient construits en 1590 le premier microscope composé de deux lentilles convexes (l’une servant d’objectif grossissant, l’autre d’oculaire). 

A la même époque, en 1609, Galilée a construit un occhiolino, microscope composé d'une lentille convexe et d'une autre concave. 

Lorsqu'on observe une cellule animale au microscope et par cryoscopie (utilisation de lames très fines pour couper des cellules congelées et permettre une meilleure observation) on observe la chose suivante :

Légendes de la cellule animale :

1   Nucléole

  2   Noyau

  3   Ribosome

  4   Vésicule

  5   Réticulum endoplasmique rugueux (granuleux) (REG)

  6   Appareil de Golgi

  7   Cytosquelette

  8   Réticulum endoplasmique lisse

  9   Mitochondries

10   Vacuole

11   Cytosol

12   Lysosome

13   Centrosome

14   Membrane plasmique

L'observation d'une cellule végétale au microscope ainsi que l'étude de lames minces permet de différencier une organisation similaire à la cellule animale :

Chez les cellules végétales la différence majeure avec les cellules animales se trouve au niveau de la présence de chloroplastes.  L'étude microscopique d'une cellule de feuille de géranium les met aisément en évidence. Il s'agit d'organites cellulaires lieu d'une réaction chimique particulière: la photosynthèse.

Enfin le dernier type cellulaire correspond à la cellule procaryote. Il s'agit essentiellement des cellules apparentées aux bactéries. Ces cellules sont plus simples, et ne possèdent pas (à part quelques exceptions) d'organites intra-cytoplasmiques.

L'étude microscopique des êtres-vivants montre qu'il existe en réalité 2 types de cellules :

- les cellules dont le cytoplasme contient des compartiments appelés les organites;

- les cellules dont le cytoplasme ne possède pas de compartiment (pas d'organite).

Ces cellules se nomment :

- les cellules eucaryotes si elles possèdent des compartiments (ex: noyau, mitochondries, chloroplaste...). Les cellules des animaux, des champignons et des végétaux sont des cellules eucaryotes.

- les cellules procaryotes si elles n'en possèdent pas. Les cellules des bactéries sont procaryotes.

BILAN:

L'organisation d'un être-vivant pluricellulaire est la suivante:

- des organes spécialisés observables à l’œil nu (eux-mêmes constitués de tissus comme le tissu musculaire),

- des cellules constituant ces organes observables au microscope optiques et mesurant quelques dizaines de micromètres,

- des organites constituant des compartiments (ex: noyau ou mitochondrie) bien limités à l'intérieur du cytoplasme des cellules eucaryotes et mesurant quelques micromètres,

- des molécules constituant ces organites de quelques nanomètres. 

V - Le métabolisme: unité fonctionnelle du vivant

Pour étudier le métabolisme cellulaire nous allons nous intéresser aux levures. Ce sont des organismes unicellulaires eucaryotes qui se reproduisent facilement par bourgeonnement (voir photo ci-dessous) dès que les conditions du milieu sont favorables.

Protocole expérimental:

- MILIEU A : eau + sels minéraux et levures sauvages.

- MILIEU B : eau + sels minéraux, glucose et levures sauvages

- MILIEU C : eau + sels minéraux, glucose et levures mutantes "rho" (les mitochondries de ces mutantes sont anormales).

Le CO2 est mesuré. Les résultats sont mesurés dans le graphique ci-dessous pour différentes températures.

Explications du protocole: on utilise deux souches génétiquement différentes, l’une est capable d’utiliser le saccharose en présence de dioxygène et pas l’autre. On les appelle souche « Rho+» (souche sauvage) et souche «Rho-» (souche mutante). A l’aide d’un dispositif EXAO, on mesure la concentration de CO2 dégagé dans les 3 milieux de culture.  

Analyse des résultats:

on constate que le volume de CO2 dégagé au bout de 30 min est plus important à 40 et 75°C qu'à 35°C. Il est quasiment nul à 20°C.

On sait que les levures dégagent du CO2 grâce à la respiration. La température influence donc le volume de CO2 produit par les levures, celles-ci respirent plus ou moins en fonction de la température. La température influence donc le métabolismes des levures. 

Conclusion partielle: l'environnement (température, sucre) influence le fonctionnement des levures en modifiant l'intensité de leur respiration.

Ci-dessous vous observez les résultats de la consommation de O2 pour les mêmes milieux:

Analyse des résultats :

- Milieu A : j'observe que sans glucose, la concentration de dioxygène est quasiment stable. Je conclus que les levures ont besoin de glucose pour respirer (donc pour consommer du O2).

- Milieu B : j'observe une diminution importante de la concentration en O2 dans l'enceinte en présence de la souche sauvage de levure. Je conclus que les levures sauvages consomment du O2 en présence de glucose, donc elles respirent !

- Milieu C : j'observe une concentration presque stable de la concentration en O2. Je conclus que les levures mutantes rho- ne respirent pas, donc elles ne consomment pas le O2.

Conclusion générale: je conclus que les levures ont besoin de glucose pour respirer le dioxygène. La réaction de respiration (qui fait partie du métabolisme de ces animaux) est donc une réaction de consommation de dioxygène et de glucose dont le produit est la création d'énergie. Cette réaction a lieu dans les mitochondrie puisque la souche sauvage (qui possède des mitochondries normales) respire normalement contrairement à la souche mutante rho qui possède des mitochondries anormales. En voici l'équation-bilan:

 RESPIRATION :

glucose + dioxygène ==> énergie + déchets (CO2 libéré + chaleur perdue)

BILAN: le métabolisme cellulaire correspond à toutes les réactions chimiques (ex: la respiration mitochondriale) qui permettent aux cellules de créer leur énergie et de produire de nouvelles molécules en dégradant la matière et/ou en la transformant. Ces réactions ont lieu dans les organites (ex: mitochondries pour la respiration, chloroplastes pour la photosynthèse...) ou dans le cytoplasme (ex: création des protéines).

Le métabolisme cellulaire permet aux cellules de grandir ou de se multiplier.

Ci-dessous, un autre schéma pour comprendre le métabolisme cellulaire.

Une autre manière de réviser :

VI - L'ADN : support universel de l'information génétique

Rappels: en troisième, vous avez vu que certains caractères étaient héréditaires, c'est à dire transmis par les gènes. Vous avez montré que les gènes étaient dans le noyau, dans l'ADN des chromosomes. Vous avez enfin montré que nous avions des caractères héréditaires très différents d'un individu à l'autre.

Le transfert de gène d'un animal à un autre a été réalisé avec succès pour la première fois en 1982 R.D. Palmiter et ses collègues obtenaient des souris transgéniques exprimant très intensément le gène d'hormone de croissance de rat, jusqu'au point de devenir géantes : un transgène (gène d'une espèce transféré chez une autre espèce) pouvait très bien fonctionner chez son hôte et modifier très significativement sa physiologie ou ses caractéristiques. L'embryon (plutôt cellule-œuf) est un passage obligé à un moment ou à un autre si l'expérimentateur souhaite obtenir une lignée d'animaux transgéniques (appelés aussi OGM). 

Étude d'un cas de transgenèse :

Lorsqu'une méduse (Aequorea victoria) normalement incolore est éclairée par une lumière ultraviolette (UV), elle émet une couleur verte fluorescente (voir photo ci-dessous). Cette particularité est liée à l'existence d'une protéine appelée GFP pour « Green Fluorescent Protein » dans les cellules de l'animal. Cette protéine est produite dans les cellules de la méduse à partir d'un gène appelé aussi gène GFP (n'oubliez pas qu'un gène produit une protéine).

Le document ci-dessous schématise quelques-unes des étapes permettant d'insérer le gène GFP, prélevé chez un organisme donneur (la méduse), dans les cellules d'un autre organisme (ici une souris). Cette technique de transfert de gènes s'appelle la transgenèse. Les individus ayant reçu le gène sont des OGM ou Organismes Génétiquement Modifiés. 

Pour obtenir un OGM il faut (ETAPES de la TRANSGENESE) :

- isoler le gène d'intérêt (ici le gène de la protéine GFP qui rend fluorescent sous lumière UV),

- transférer ce gène dans une cellule-oeuf,

- le gène d'intérêt sera (par chance) inséré automatiquement dans l'ADN de la cellule-oeuf,

- initier le développement embryonnaire de la cellule-oeuf receveuse du gène jusqu'à donner un nouvel individu (ici une souris fluorescente).

Ces expériences démontrent que :

- un gène permet la production d'une protéine particulière à l'origine d'un caractère particulier comme suit:

                       Gène GFP ---> protéine GFP---> caractère "fluorescence"

- un même gène est utilisable par des individus d'espèces ou de groupes très différents: l'ADN est donc un langage universel.

- les gènes sont « contenus » dans la molécule d'ADN:

Mais sous quelle forme se trouve l'information dans l'ADN ?

Nous allons donc étudier la molécule d'ADN.

L'ADN a, dès les années 40, été pressentie comme étant susceptible de porter l'information héréditaire. James Watson et Francis Crick ont été les premiers (en "piquant" une partie des travaux de Rosalind Franklin) à comprendre la structure tridimensionnelle de l'ADN en étudiant des clichés de cette molécule prises aux rayons X (pour y arriver on a créé un cristal d'ADN, plus stable, que l'on a passé aux rayons X pour en faire ressortir la structure sous la forme d'une impression sur papier photographique, voir photo ci-dessous).

Chaque brin d'ADN est constitué d'un assemblage d'unités élémentaires appelés nucléotides. Un nucléotide est formé par l'association de trois types de molécules différentes :

• un sucre

• un phosphate,

• une base azotée: A, T, C ou G.

Sur ce schéma (et le suivant) on remarque que les bases azotées sont toujours en couple:

- l'Adénine toujours avec la Thymine (A avec T)

- la Cytosine toujours avec la Guanine (C avec G)

On dit que les 2 brins d'ADN sont complémentaires.

 Si on déroule la molécule d'ADN on obtient une forme d'échelle constitués de nucléotides (= 3 molécules associées), on répète pour bien retenir: 

- le phosphate (P)

- le sucre

- la base azotée.

Le message codé dans l'ADN va dépendre de l'ordre d’enchaînement des nucléotides.

Par exemple si on enchaîne TATTG le message sera différent de TTGGC. L'ADN est donc une molécule informative qui contient des milliers d'informations qui correspondent à des milliers de gènes.

Chaque espèce partage les même gènes (= génome) mais nous possédons chacun des versions différentes de ces gènes (qu'on appelle les allèles) ce qui explique que nous soyons tous différents.

On a donc ici 2 versions différentes du gène "couleur des yeux", soit 2 allèles. A gauche l'allèle 1 qui donnera des yeux de couleur rouge. A droite l'allèle 2 qui donnera des yeux de couleur blanche.  Dans l'allèle 2, la mutation (c'est-à-dire la modification de l’enchaînement des nucléotides du gène) entraîne l'apparition d'un nouveau caractère : une nouvelle couleur des yeux.

C'est la preuve que l'ADN est aussi une molécule dont l'information peut varier.

BILAN: l'ADN est présent dans le noyau de toutes nos cellules. Les chromosomes sont tous constitués d'une molécule d'ADN. Un chromosome contient des gènes et chaque gène est constitué d'un fragment d'ADN.

Chaque gène est constitué de 2 brins d'ADN enroulés en forme de double hélice.

L'ADN est composée de 4 nucléotides: Adénine, Thymine; Cytosine et Guanine dont l'enchaînement constitue l'information génétique.

Si des nucléotides sont modifiés (lors de mutations), de nouveaux caractères peuvent apparaître: l'ADN est donc une molécule informative variable.

Pour réviser très vite ces notions :

Pour vous entraîner: un QCM sur le cours (des questions de ce QCM tomberont le jour du devoir: lien.