Biologie moléculaire Chapitre 1 Cellule et ADN

Introduction

Tous les êtres vivants expriment les gènes de la même façon.

Au cours du temps, des découvertes sur les caractères ont été faites et des techniques de biologie moléculaire ont été mises au point :

XIXème siècle → Loi de l'hérédité de Mendel.

1910 → Transmission des caractères chez la drosophile.

1943 → Les gènes sont constitués d'ADN.

1953 → Résolution de la structure de l'ADN.

1961 → Régulation de l'expression des gènes.

1970 → Enzymes de restriction.

1975 → Séquençage des gènes.

1983 → PCR

L'ADN ou acide désoxyribonucléique est le support de l'information génétique, il est présent chez tous les êtres vivants. Il existe trois grands domaines d'êtres vivants qui sont appelés Eubacteria, Archaebacteria et Eukaryota. L'ADN se trouve à l'intérieur des cellules et ces cellules peuvent avoir ou non, selon le domaine, un noyau. Pour les domaines Eubacteria et Archaebacteria, on parlera de cellules procaryotes, c'est à dire qui n'ont pas de noyau. Pour le domaine Eukaryota, on parlera de cellules eucaryotes, c'est à dire qui ont un noyau.

I. Anatomie d'une cellule

A. Anatomie d'une cellule procaryote

1. Les bactéries ou procaryotes

a. Généralités

Les bactéries sont les plus simples des organismes vivants et elles sont retrouvées dans la plupart des environnements naturels.

b. Caractéristiques

Quelques caractéristiques des bactéries :

Leur taille varie de 1 à 10 µm.

Il n'y a pas d'organite dans le cytoplasme.

Le chromosome (il n'y en a qu'un) n'est pas séparé du cytoplasme et l'ADN est libre dans le cytoplasme.

Elles sont enveloppées d'une structure rigide appelée capsule.

2. La paroi

La paroi d'une cellule procaryote est constituée d'une bicouche lipidique recouverte d'un polymère de sucre qui protège la bactérie des contraintes mécaniques.

3. Forme des bactéries

Les bactéries ont des formes variées :

B. Anatomie d'une cellule eucaryote

1. Les cellules eucaryotes

a. Généralités

Les cellules eucaryotes se trouvent uniquement chez les êtres vivants du domaine Eukaryota. Contrairement aux cellules procaryotes, elles possèdent un noyau et des organites.

b. Caractéristiques

Quelques caractéristiques des cellules eucaryotes :

Leur taille est supérieure ou égale à 100 µm.

Les chromosomes (il y en a plusieurs) sont englobés dans le noyau et séparés du cytoplasme.

Il y a de nombreux organites remplissant des fonctions cellulaires précises.

2. Le noyau

Le noyau est l'organite qui a donné son nom aux eucaryotes (eu = vrai, caryos = noyau). La fonction du noyau est de contenir la majeure partie de l'ADN cellulaire. Le noyau est limité par une enveloppe constituée d'une membrane double (deux membranes bilipidiques) qui sépare trois compartiments qui sont le cytoplasme à l'extérieur, le nucléoplasme à l'intérieur et le compartiment intermédiaire au centre. Le cytoplasme et le nucléoplasme communiquent par des pores, les pores nucléaires, qui traversent les deux membranes. L'intérieur du noyau abrite la chromatine, c'est un assemblage de protéines et d'ADN. Au microscope, on distingue l'hétérochromatine et l'euchromatine. Enfin, le noyau possède une zone spécialisée, le nucléole, centre de la synthèse des ARN ribosomaux et d'assemblage des sous-unités ribosomales.

3. Le réticulum endoplasmique

Le réticulum endoplasmique est constitué d'un réseau de tubes ramifiés, très fortement interconnectés et limités par une membrane lipidique. Cette membrane est en continuité avec la membrane externe de la paroi nucléaire et l'espace du compartiment intermédiaire n'est qu'une extension de la lumière du réticulum. Le réticulum endoplasmique est donc une extension de la membrane du noyau.

Le réticulum endoplasmique est divisé en réticulum endoplasmique lisse et en réticulum endoplasmique rugueux en fonction de son apparence au microscope :

La surface du réticulum endoplasmique rugueux est couverte de ribosomes. C'est le lieu de synthèses des protéines membranaires et des protéines excrétées dans le milieu extracellulaire.

Le réticulum endoplasmique lisse a des fonctions très diversifiées. Il peut s'agir tout d'abord d'une zone de réticulum rugueux mais où ne s'exerce pour le moment aucune synthèse. C'est aussi une zone de transit entre les régions de synthèses protéiques et celles où les protéines sont excrétées. Mais d'autres endroits assurent la synthèse des lipides membranaires.

4. L'appareil de Golgi

L'appareil de Golgi travaille en relation avec le réticulum endoplasmique. C'est lui qui assure la constitution des vésicules d'exocytoses ou des vésicules intracellulaires et qui assure leur composition correcte. L'appareil de Golgi est constitué d'un ou de plusieurs dictyosomes. Chaque dictyosome est constitué de plusieurs saccules reliées par des ponts membranaires. Le fonctionnement du dictyosome est polarisé, il comporte une face de formation et une face de sécrétion :

La face de formation est toujours à proximité du réticulum endoplasmique lisse. C'est sur cette face que fusionne les vésicules du réticulum endoplasmique contenant les protéines nouvellement synthétisées afin de poursuivre leur maturation.

La face de sécrétion est le lieu de formation des vésicules qui se détachent et se dispersent dans le cytoplasme avant de fusionner avec leur membrane cible.

5. Les mitochondries

Les mitochondries sont de petits organites (environ 1 µm de longueur) essentiels dans les processus énergétiques cellulaires. Elles sont constituées de deux membranes qui isolent deux compartiments du cytoplasme : la matrice et la zone intermembranaire. La membrane interne est repliée sur elle-même et forme des crêtes alors que la membrane externe est relativement lisse.

Les deux membranes ont des propriétés très différentes :

La membrane externe est très perméable, pauvre en protéines et contient une protéine transmembranaire : la porine.

La membrane interne est repliée sur elle-même et forme des crêtes. Cette membrane est très riche en protéines mais elle est quasiment imperméable aux ions et aux métabolites hydrosolubles.

6. Le cytosquelette

Le cytosquelette a de diverses fonctions :

forme de la cellule

division de la cellule

défense de la cellule

mouvements de la cellule et mouvements à l'intérieur de la cellule

système de transport intracellulaire

II. L'ADN, structure et fonction dans les cellules procaryotes et eucaryotes

A. Historique de la découverte de l'ADN

Dans son expérience, Fred Griffith décrit deux souches de pneumocoques Diplococcus pneumomiae : la souche R (rough = rugueuse) et la souche S (smooth = lisse).

Le principe de la transformation bactérienne nous a permit de conclure que chez les cellules, un « facteur transformant », probablement libéré par la chaleur, susceptible d'être intégré par d'autres bactéries, leur confère de façon héréditaire de nouvelles propriétés génétiques.

L'ADN extrait d'une souche S suffit à lui seul pour transformer une souche non virulente en souche virulente. L'ADN est le support de l'hérédité.

B.