Les éléments constitutifs d’une cellule primitive

3. Les besoins du vivant : synthèse moléculaire et nutriments

Bien que ni la structure ni le métabolisme de la première entité vivante ne soient connus, il est probable qu’elle partageait les bases communes aux cellules actuelles, que ce soit au niveau de ses éléments constitutifs ou de la nécessité de synthétiser des molécules complexes.

3.1. Les éléments constitutifs d’une cellule primitive

La vie peut être schématiquement définie comme une entité réunissant un métabolisme, un contenu informationnel réplicable et un dispositif permettant le confinement de ses constituants. Cette entité est soumise à une dynamique évolutive fondée sur la sélection naturelle des variants qui composent la descendance : la capacité d’évolution est une des caractéristique du monde vivant.

3.1.1. Notion de confinement

Spontanément, des molécules hydrophobes s’associent pour former des micelles, sortes de petits globules lipidiques. Lorsque les molécules sont amphiphiles, c'est-à-dire qu’elles possèdent une partie hydrophobe et une partie hydrophile, l’association spontanée de ces molécules produit des bicouches lipidiques délimitant un compartiment aqueux (figure 24). Cette association constitue la base de la membrane des premières proto-cellules : elle assure le confinement d’un milieu aqueux par rapport à l’environnement extérieur.

figure 24 : Auto-organisation d’acides gras en une bicouche lipidique – formation d’une vésicule isolant un compartiment aqueux du milieu extérieur (liposome). Micrographie électronique (Voet et Voet 2010).

37 3.1.2. L’information génétique

L’information génétique est codée par des molécules d’acides nucléiques : de l’ADN ou de l’ARN. Ces deux molécules sont des polymères de nucléotides. L’ADN code pour la synthèse de protéines et il faut des protéines pour faire de l’ADN (histones pour la structure, polymérases pour la synthèse et la réplication, …) : c’est le dilemme de l’ « œuf ou la poule », qui est apparu en premier ?

Dans les années 1980, les regards se tournent vers l’ARN, molécule moins stable que l’ADN mais pour laquelle de nouvelles propriétés sont découvertes indépendamment par T.R. Cech et S. Altman (récompensés pour ces travaux par un Prix Nobel de Chimie en 1989). L’ARN, capable de s’agencer naturellement en structures repliées appelées ribosomes, présente une activité catalytique semblable aux enzymes : cette activité lui vaudra le nom de « ribozyme » (Cech 1988; Altman et al. 1989). De plus, l’ARN est capable de s’auto-répliquer en l’absence de protéine. Ces deux propriétés fondamentales ont amené les chercheurs à proposer un « monde ARN » primitif, où le l’ARN jouait à la fois le rôle de support de l’information génétique et celui d’enzyme (Gilbert 1986), à l’opposée du « monde ADN » actuel (figure 25).

figure 25 : D’un monde ARN au monde ADN – les supports de l’information génétique et de l’activité biochimique.

3.1.3. La machinerie enzymatique

Les enzymes sont des protéines agents catalyseurs des réactions biologiques (ex. phosphofructokinase 1, catalyse et régule la dégradation du glucose lors de la glycolyse). Leur synthèse nécessite des acides aminés. La liaison entre les acides aminés est réalisée par des ARN ribosomaux, un argument en faveur de la théorie du « monde ARN » (Gilbert 1986).

38 3.1.4. Les nutriments

Un nutriment est un composé organique ou minéral nécessaire, pour un organisme donné, à l’entretien de son existence. Un nutriment ne peut pas être synthétisé par l’organisme et doit donc être assimilé à partir du milieu extérieur. Pour l’Homme par exemple, le glucose est un nutriment : un apport journalier est impératif pour conserver un état de santé optimal. Toutefois, à plus petite échelle, un nutriment peut être tout élément chimique ou molécule nécessaire à la survie mais aussi à la construction d’un organisme. Ainsi, les enzymes de la catégorie des anhydrases carboniques possèdent comme cofacteur et élément actif un atome de zinc, indispensable à leur fonctionnement (Goodsell et Dutta 2004; Lindskog 1997). Pour tout organisme possédant une enzyme de ce type, le zinc est donc un nutriment (figure 26).

figure 26 : Structure de l’anhydrase carbonique II humaine. La boule grise symbolise l’atome de zinc central. Figure : Protein Data Bank 1CA2.

Plus généralement, de nombreux métaux de transition sont nécessaires à la survie d’une cellule, et sans doute au développement de la vie : Ni, Zn, Cu, Fe, Co, …

Enfin, pour que la vie se multiplie, il faut un stock des molécules organiques constitutives des biomolécules : des acides aminés en nombre, mais aussi des nucléotides, constitués d’un assemblage d’oses, de bases azotées et de phosphates. Le phosphate joue également un rôle majeur dans le métabolisme : il permet, via la formation de molécules type ATP, ADP (Adénosine Tri Phosphate, ~Di Phosphate), de stocker de l’énergie nécessaire à la synthèse de molécules par l’organisme.

Si certains nutriments sont communs au vivant (phosphate, bases azotées, acides aminés, …), d’autres sont caractéristiques de certains organismes et de leur métabolisme.

39 3.1.5. Notion de métabolisme et type trophique

Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui se déroulent en permanence dans un organisme, regroupant des réaction de catabolisme (dégradation de matière organique) et d’anabolisme (synthèse de matière organique). Un type trophique spécifie la nature des réactions d’anabolisme d’un organisme et dépend d’une combinaison de trois paramètres (tableau 1) :

- La nature de la source d’énergie des réactions : chimique ou lumineuse (organisme chimiotrophe ou phototrophe).

- La nature du donneur d’électrons : organique (organotrophe) ou inorganique (lithotrophe). - La nature de la source de carbone : organique (hétérotrophe) ou inorganique (autotrophe).

Le premier organisme vivant a émergé dans un monde intégralement minéral : sa source de carbone était nécessairement inorganique et son donneur d’électron également. Il faut donc envisager un métabolisme primitif soit photolithoautotrophe soir chimiolithoautotrophe.

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