Organisation générale et fonctions des membranes biologiques – Cours et formation gratuit

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Cours, questions de révision et QROC

BIOLOGIE CELLULAIRE

Des molécules aux organismes

2

^e

édition

Jean-Claude Callen

Avec la collaboration de Roland Perasso

Licence SV • PCEM • PCEP • Classes préparatoires

SCIENCES SUP

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CHEZ LE MÊME ÉDITEUR

QCM de biologie cellulaire, J.-C. CALLEN, R. CHARRET, J.-C. CLÉROT, 2004.

Atlas de biologie cellulaire, J.-C. RÔLAND, J.-C. CÂLLEN, A. et D. S^ZÖLLÖSI, 5êédition, 2001.

Vous pouvez consulter l’ensemble de notre catalogue sur notre site internet http://www.dunod.com

« Ouvrage traduit en espagnol : Biología celular ; de las moleculas a los organismos ; CECSA, Mexico, 2000 »

Les illustrations de l’ouvrage ont été réalisées par Frédéric Massie

Illustration de couverture, de gauche à droite :

modèle compact de protéine (collection Labo-BG, Orsay) ; cellules animales en culture marquées par un anticorps anti-tubuline (cliché Marie-Hélène Bré, Labo-BC4, Orsay) ; coupe d’iléon de chat (cliché Ghislaine Fryd-Versavel, Labo-BC4, Orsay) ; jeune tige de Rubiacée (collection Labo-BG, Orsay).

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PRÉFACE

À LA SECONDE ÉDITION

©Dunod–Laphotocopienonautoriséeestundélit.

L’extraordinaire diversité du monde vivant est pour beaucoup d’entre nous un sujet d’étonnement et d’émer- veillement. Et pourtant, tous les organismes qui composent cette biodiversité fonctionnent sur la base de mécanismes vitaux qui révèlent de nombreuses similitudes. Ce paradoxe apparent tient au fait que chaque organisme est consti- tué de cellules, unités élémentaires du vivant, qui dérivent toutes d’une forme cellulaire ancestrale commune. Les cellules animales, comme les cellules végétales, les protistes ou encore les bactéries, ont hérité des mêmes grands mécanismes fonctionnels. C’est la raison pour laquelle la Biologie Cellulaire constitue le fondement de tout enseigne- ment de Biologie, quelle que soit la finalité de cet enseignement : recherche, éducation, médecine ou pharmacie.

La nouvelle édition du livre de Jean-Claude Callen constitue une remarquable synthèse des notions modernes de Biologie Cellulaire que les étudiants entrant à l’Université ou en classes préparatoires se doivent d’acquérir. Cette nouvelle édition était une nécessité car elle devait s’enrichir des progrès de la recherche menée au cours de ces der- nières années. Le décryptage de génome de nombreux organismes associés au développement des techniques de Biologie Moléculaire, et l’émergence de nouvelles technologies performantes dans le domaine de l’imagerie, ont été des facteurs décisifs dans l’avancée des connaissances en Biologie Cellulaire.

Certes, tous les mécanismes cellulaires et leurs réseaux de régulation sont loin d’être élucidés. Toutefois, le niveau de connaissance atteint aujourd’hui permet déjà de comprendre bon nombre de pathologies humaines ou animales, associées à des dérèglements cellulaires précis, ouvrant de ce fait de nouvelles perspectives thérapeutiques et de pré- vention. Jean-Claude Callen a eu le souci constant de rappeler, sous forme d’encarts, les relations étroites qui exis- tent entre la Biologie Cellulaire et la pratique médicale. Cette illustration de l’impact croissant de la Biologie Cellulaire et Moléculaire sur la santé humaine est d’un intérêt majeur pour les étudiants en médecine, et ne peut que les stimuler dans l’apprentissage de leur art.

En tant que Professeur de Biologie, responsable du PCEM1 d’un grand CHU Parisien, je connais les nombreuses difficultés rencontrées par les étudiants pour leur préparation au concours. Parmi celles-ci, l’une est le niveau de connaissance requis pour espérer être classé en rang utile. Une autre, plus subtile, concerne l’aptitude de l’étudiant à s’autoévaluer. La seconde édition de «Biologie Cellulaire» de Jean-Claude Callen répond à ces deux aspirations. Son contenu, actualisé et condensé, est parfaitement adapté au niveau d’apprentissage nécessaire pour se présenter aux épreuves du concours. De plus, une autoévaluation est proposée sous forme de plus de 300 questions de type QROC (Questions à Réponses Ouvertes et Courtes), similaires à celles que nous posons lors de nos véritables épreuves.

L’étudiant aura donc la possibilité de tester à la fois ses connaissances et son esprit d’analyse, mais aussi son apti- tude à répondre à ces questions durant un temps limité.

Le livre de Jean-Claude Callen possède bien d’autres qualités que le lecteur découvrira et appréciera, en particulier une illustration abondante avec des schémas d’une grande clarté et d’une grande précision. C’est un livre agréable à lire dont je recommande vivement la lecture à tous les étudiants, particulièrement à ceux qui préparent des concours. Ce livre apportera de nombreuses réponses à leurs questions, il les fera réfléchir, et cette réflexion génèrera, je l’espère, de nouvelles et pertinentes interrogations.

Roland Perasso Professeur à l’Université Paris Sud XI Directeur du laboratoire de Biologie Cellulaire 4, UMR CNRS 8080

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La vie est en nous, dans les êtres vivants qui nous entourent et qui ont contribué au façonnage de la Terre au cours de milliards d’années.

Notre santé, notre alimentation, les progrès de nos sociétés dépendent de notre connaissance et de notre compré- hension du vivant. Chaque génération a apporté sa contribution à la construction de ce savoir. La structure logique de celui-ci a été établie au cours de ce siècle par la théorie cellulaire. Elle énonçait que la cellule est l’unité de struc- ture et de fonction du monde vivant et que toute cellule dérive d’une cellule préexistante. La biologie cellulaire était ainsi née. Elle allait, par la suite, trouver sa place de manière cartésienne dans les enseignements fondamentaux de la formation supérieure des biologistes, puis, plus généralement, dans celle de tous les lycéens.

Comme pour toutes les disciplines scientifiques, l’émergence de nouveaux outils produit des avancées concep- tuelles et technologiques qui mettent à l’épreuve les connaissances existant à un moment donné. À ce titre, au milieu de ce siècle, la microscopie électronique a constitué pour la biologie cellulaire un saut capital. Elle a tout à la fois validé le fondement de la théorie cellulaire et dévoilé par la découverte intime des membranes et des organites une richesse, une complexité et une cohérence extraordinaires. La biologie cellulaire s’est imposée alors comme élément central de la connaissance du vivant car elle tisse les liens entre des niveaux d’organisation différents, moléculaires, organismiques et populationnels (à travers la reproduction). Elle ouvre parallèlement des voies d’étude pour mieux comprendre la diversité et l’unicité du vivant. La biochimie, la génétique, la biophysique, la physiologie, la biologie moléculaire vont tour à tour en développer et en éclairer des aspects essentiels : le métabolisme, l’ADN et les génomes, les membranes et leurs remarquables propriétés de surface et d’échange, la photosynthèse, la synthèse protéique, etc.

Appuyées sur la biologie cellulaire, toutes les disciplines biologiques, y compris les plus éloignées a priori comme l’écologie ou l’évolution, connaissent aujourd’hui un essor extraordinaire qui fonde des progrès biotechnologiques et des transformations économiques considérables. Ce mouvement est loin d’être épuisé, car les milliers ou dizaines de milliers de gènes qui font un génome, et l’infinie variation des médiations environnementales constituent autant de possibilités de vivre et de réagir pour les cellules, qui ne seront pas toutes explorées dans un avenir prévisible. En revanche, les jeunes générations de scientifiques et de citoyens auront à s’en préoccuper pour comprendre le milieu où elles vivent et sur lequel elles agissent.

L’enseignement de la biologie cellulaire reste donc aujourd’hui tout aussi indispensable qu’il l’était il y a dix ou vingt ans, mais il se doit de changer de pratique.

Certes, la magie de la découverte de la cellule et de sa complexité doit toujours être communiquée aux étudiants.

Mais l’exigence intellectuelle et sociale va au-delà. Cet enseignement doit préparer les jeunes scientifiques à l’approche et à la compréhension de la complexité et de la cohérence cellulaires. Comme la discipline a dépassé le stade où elle peut être présentée de façon exhaustive, un nouvel exercice pédagogique qui incite à la curiosité et à l’effort d’imagination, qui fournisse les fondements de la connaissance les plus pertinents et les démarches de raison- nement, est maintenant nécessaire. Certes des livres spécialisés et très complets, principalement anglo-saxons, exis- tent bien mais ils s’adressent le plus souvent à un public déjà initié. Nous avions besoin d’un ouvrage qui ait les qualités évoquées plus haut, tout en s’adressant à un public de jeunes bacheliers. Je suis convaincu que Jean- Claude Callen a produit cet ouvrage. Il sait apporter des connaissances, couvrir l’ensemble du domaine et susciter la curiosité sans jamais la saturer par une inutile exhaustivité. Il en appelle à notre esprit et à notre sens esthétique par la qualité de la présentation et celle des illustrations et des figures. Il nous interroge discrètement sur ce que nous avons retenu. Il nous présente un texte vivant où les maîtres de la discipline sont évoqués pour la qualité de leurs apports et où l’histoire a sa place. Enfin, il nous rappelle avec délicatesse que la biologie cellulaire est une véritable discipline et que le dogme doit s’effacer avec humilité devant l’expérience et la critique.

Je souhaite que de nombreux jeunes lecteurs (et de moins jeunes) prennent un grand plaisir à lire ce livre, tout en en faisant un outil qui les accompagne dans leur étude et la construction de leur représentation de la vie.

Jean-Claude Mounolou Professeur honoraire à l’université Paris-Sud (Centre d’Orsay)

PRÉFACE

À LA PREMIÈRE ÉDITION

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Préface à la seconde édition Préface à la première édition Liste des textes biomédicaux Avant-propos

Remerciements

Chapitre 1. La logique

moléculaire du vivant 1

1. Caractéristiques

identifiant le monde vivant 2 2. Des molécules aux organismes 6 3. Transformations de matière et d’énergie

dans le monde vivant 13

4. Objectifs et place de la biologie cellulaire dans l’ensemble de la biologie 17

Résumé 21

QROC 22

Chapitre 2.

Organisation cellulaire 23 1. Historique de la notion de cellule 23 2. Outils et techniques d’observation

des cellules 25

3. Plans d’organisation cellulaire 33

Résumé 45

QROC 46

Chapitre 3. Analyse des constituants

et du fonctionnement des cellules 47 1. Méthodes d’analyse des constituants

cellulaires 48

2. Outils et techniques d’analyse

du fonctionnement cellulaire 61

Résumé 71

QROC 72

Chapitre 4. Flux

de l’information génétique 73 1. Identification de la nature chimique

du matériel héréditaire 74

2. Principes de l’expression du matériel génétique. Le dogme fondamental 78 3. Mécanismes moléculaires et produits

de la transcription des gènes 82 4. Organisation des gènes de protéines

chez les Procaryotes et les Eucaryotes 87 5. Expression des gènes

chez les Procaryotes 89

6. Mécanismes moléculaires

de la traduction 93

7. Organisation et taille des génomes

chez les Virus et les Êtres vivants 100

Résumé 107

QROC 109

Perspective biomédicale 108

Chapitre 5. Organisation générale et fonctions des membranes

biologiques 110

1. Composition chimique des membranes 111 2. Organisation moléculaire

des membranes 116

3. Propriétés générales des membranes 126 4. Diversité des fonctions membranaires

au sein des cellules 132

Résumé 137

QROC 138

TABLE DES MATIÈRES

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Chapitre 6. Échanges de matière entre cellule

et milieu extérieur 139

1. Organisation et propriétés générales

de la membrane cytoplasmique 139 2. Perméabilité membranaire.

Transporteurs membranaires 141 3. Transport membranaire

des macromolécules et des particules

chez les Eucaryotes 158

Résumé 168

QROC 169

Chapitre 7. Nutrition

et croissance des cellules 170 1. Utilisation des nutriments

pour la croissance cellulaire 171 2. Accumulation et dégradation

des réserves chez les Procaryotes

et les Eucaryotes 176

3. Les lysosomes des cellules animales,

des Protistes et des Champignons 184 4. Les vacuoles des cellules végétales 194

Résumé 201

QROC 202

Chapitre 8. Expression des gènes nucléaires chez les eucaryotes 203 1. Organisation du matériel génétique

2. Rôle du noyau dans la vie cellulaire 209 3. Les chromosomes géants et leur activité 214 4. Caractères spécifiques de la transcription

5. Transcription des gènes

codant les protéines (ARNm) 225 6. Transcription des gènes codant les ARNr.

Édification des ribosomes au sein

du nucléole 230

7. Éléments de contrôle de l’expression

des gènes chez les Eucaryotes 233

Résumé 243

QROC 244

Chapitre 9. Synthèse et routage des protéines chez les eucaryotes.

Biogenèse des organites 245 1. Problématique : le concept de routage 245 2. Rôle du réticulum endoplasmique

dans la synthèse des protéines 248 3. Rôle de l’appareil de Golgi

dans la maturation des protéines

et la synthèse des polysaccharides 263 4. Rôle de l’appareil de Golgi dans le tri

des protéines 273

5. Routage des protéines vers le noyau, les organites semi-autonomes

et les peroxysomes 278

6. Panorama général du trafic membranaire et protéique intracellulaire 286

Résumé 289

QROC 290

Chapitre 10. Conversion de l'énergie : mitochondries

et chloroplastes 291

1. Morphologie et ultrastructure

des mitochondries et des plastes 291 2. Rôle des mitochondries

dans la respiration cellulaire 298 3. Rôle des chloroplastes

dans la photosynthèse 305

4. Autres fonctions des mitochondries et des plastes. Intégration du métabolisme énergétique et intermédiaire 317 5. Les peroxysomes : des organites

à fonction oxydative non générateurs

d’énergie 322

Résumé 326

QROC 327

Chapitre 11. Architecture

et motilité cellulaires 328 1. Structures cytosquelettiques

des cellules eucaryotiques 328 2. Constitution chimique et organisation

moléculaire des éléments

du cytosquelette 334

(8)

3. Fonctions du cytosquelette

et des structures associées 340 4. Motilité des cellules procaryotiques 355

Résumé 360

QROC 361

Chapitre 12. Prolifération

des cellules. Aspects moléculaires et cellulaires de la division 362 1. Les divisions cellulaires dans le monde

vivant 363

2. Mécanismes moléculaires

de la duplication du matériel génétique 365 3. Mécanismes de réparation de l’ADN 376 4. La mitose chez les cellules animales

et végétales 377

5. Les caryotypes et leur utilisation 389

Résumé 394

QROC 395

Chapitre 13. Contrôle du cycle

cellulaire chez les Eucaryotes 396 1. Le cycle cellulaire et ses méthodes

d’analyse chez les Eucaryotes 397 2. Contrôle de la prolifération des cellules

chez les organismes pluricellulaires 404 3. Mécanismes moléculaires

de la signalisation cellulaire 406 4. Dérégulations du cycle cellulaire :

apoptose et cancer 409

Résumé 414

QROC 415

Chapitre 14. De la cellule à l’organisme.

La différenciation cellulaire 416 1. Notion de différenciation cellulaire 416 2. Relations directes entre les cellules

au sein de l’organisme 423

3. L’environnement immédiat des cellules : les matrices extracellulaires 432 4. Diversité des fonctions des matrices

extracellulaires 440

5. Communication à distance entre cellules

au sein de l’organisme 443

Résumé 446

QROC 447

Chapitre 15. Aux confins du monde vivant : viroïdes,

plasmides et virus 448

1. Viroïdes et plasmides 448

2. Virus 451

3. Virus et plasmides comme modèles

d’étude et outils en biologie 466 4. Les prions : des agents infectieux

non conventionnels 469

Résumé 472

QROC 473

Chapitre 16. L'origine de la vie.

L'apparition des différents types

cellulaires 474

1. Histoire de la vie sur la Terre 474

2. Période prébiotique 475

3. Des protocellules à la cellule ancestrale 481 4. Apparition des cellules eucaryotiques ;

origine des organites 482

5. Conclusion : l’arbre universel

du monde vivant 487

Résumé 490

QROC 491

Bibliographie 492

Index 493

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LISTE DES TEXTES BIOMÉDICAUX

Encart biomédical.L’alcaptonurie,

première maladie génétique humaine identifiée 76 Encart biomédical.Antibiotique et synthèse

protéïque 98

Perspective biomédicale.Résistance des bactéries aux antibiotiques

et santé publique 108

Chapitre 5

Perspective biomédicale.L’utilisation

thérapeutique des liposomes 136

Chapitre 6

Encart biomédical.Les hypercholestérolémies

familiales 163

Encart biomédical.Sécrétion de l’histamine

et réaction inflammatoire 165

Perspective biomédicale.La mucoviscidose 167 Chapitre 7

Encart biomédical.Les vitamines

et autres nutriments essentiels 171 Encart biomédical.Exemples de maladies

lysosomales non génétiques : silicose et goutte 193 Perspective biomédicale.Les diabètes sucrés 200 Chapitre 8

Encart biomédical.Le lupus érythémateux

systémique 214

Encart biomédical.Les hémoglobines :

anémies falciformes et thalassémies 229 Perspective biomédicale.Les thérapies

géniques 242

Chapitre 9

Encart biomédical.Nanisme et gigantisme : des disfonctionnements de l’hypophyse 268 Perspective biomédicale.Les maladies

génétiques lysosomales 288

Chapitre 10

Encart biomédical.Sport, métabolisme

oxydatif et aide ergogénique à la performance 305

Perspective biomédicale.Les maladies

mitochondriales 325

Chapitre 11

Encart biomédical.Les substances

antimitotiques 336

Encart biomédical.Les maladies génétiques

du cytosquelette 346

Perspective biomédicale.La myopathie

de Duchenne 359

Chapitre 12

Encart biomédical.Les anomalies

chromosomiques chez l’Homme 391

de la réparation de l’ADN 393

Chapitre 13

Encart biomédical.Dysfonctionnements

hormonaux et récepteurs membranaires 407 Encart biomédical.Les gènes

de prédisposition au cancer 412

Perspective biomédicale.Cellules souches

et thérapie cellulaire 413

Chapitre 14

Encart biomédical.Les maladies génétiques des jonctions intercellulaires ou de liaison

à la matrice extracellulaire 426 Encart biomédical.Adhérence cellulaire

et métastases 431

du collagène et de la matrice extracellulaire 445

Chapitre 15

Encart biomédical.Les causes de la variabilité des virus de la grippe du groupe A 456 Encart biomédical.Virus VIH et SIDA 465 Encart biomédical.L’affaire des vaches folles et la transmission des prions à l’Homme 469 Perspective biomédicale.Les infections virales

émergentes 471

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Ce manuel s’adresse principalement aux étudiants en biologie des premiers cycles universitaires : DEUG SV, classes préparatoires aux grandes écoles, facultés de méde- cine et pharmacie, etc. Il est également destiné aux candidats aux concours de recrute- ment des Professeurs du second degré qui y trouveront, sous une forme condensée, les données de base les plus récentes relatives au fonctionnement des cellules.

Au cours de leurs années de lycée, les étudiants ont acquis une vaste culture géné- rale en biologie, fondée sur une approche essentiellement organismique. L’inconvé- nient d’une telle démarche, aux yeux des «cellularistes», est que les bases cellulaires des phénomènes vitaux y apparaissent éclatées à la fois dans l’espace (au sein d’un même ouvrage) et dans le temps (tout au long du cursus scolaire). Les cellules ne sont alors perçues que comme des éléments de structure et de fonction au service d’un ensemble d’ordre supérieur, et non comme des entités ayant une autonomie, une vie propre. Outre l’approfondissement indispensable des connaissances conceptuelles et expérimentales, l’objectif majeur du présent ouvrage est de recentrer les préoccupations biologiques autour de la seule cellule, unité de base du monde vivant. En d’autres termes, il s’agit ici de faire vivre concrètement les cellules, de la même manière que l’on voit vivre les organismes macroscopiques qui nous entourent : en effet, comme eux, elles se nourrissent et grandissent, communiquent entre elles, se déplacent, se multi- plient et meurent.

Bien que les contours de la discipline ne soient pas toujours faciles à cerner, ce manuel se veut être un ouvrage de stricte biologie cellulaire. En dehors de quelques brefs rappels, on n’y trouvera donc pas de données de biochimie : structure et proprié- tés des biomolécules, enzymologie, bioénergétique, métabolisme, etc., qui sont dévelop- pées dans un ouvrage de la même collection (Biochimie, de Georges Hennen). Il faut bien insister sur le fait que de bonnes connaissances dans cette discipline sont indispensables pour comprendre les règles de construction des édifices constituant les cellules, ainsi que les multiples réactions chimiques qui s’y déroulent ; on rappelle en particulier l’importance capitale des interactions de surface entre macromolécules, que permet l’organisation tridimensionnelle unique des polymères biologiques. De même, les don- nées de biologie moléculaire décrites dans cet ouvrage sont réduites au minimum nécessaire pour une bonne maîtrise des mécanismes conduisant à la synthèse et à la distribution intracellulaire des protéines, qui représentent l’activité majeure des cellules, et à la division du matériel génétique. En revanche, toutes les fonctions cellulaires liées à des structures ou des organites spécifiques, que ce soit chez les Procaryotes ou les Eucaryotes, constituent le corps de l’ouvrage et font l’objet de développements détaillés.

AVANT-PROPOS

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La première des idées-force que l’on souhaiterait faire passer à travers les divers chapitres de ce cours est que le fonctionnement des cellules est hautement intégré. Chez les Eucaryotes, en particulier, les principales fonctions vitales ne peuvent s’accomplir qu’en faisant intervenir un grand nombre de compartiments distincts ; de plus, une structure ou un organite bien précis participe le plus souvent à plusieurs activités diffé- rentes au sein des cellules. La deuxième idée est qu’il faut, à tous les niveaux, depuis les molécules jusqu’aux cellules, en passant par leurs structures élémentaires et les organites les plus variés, rechercher les rapports qui existent entre les structures et les fonctions : c’est la seule grille de lecture permettant de comprendre de manière définitive les mécanismes du vivant. À l’opposé de la représentation statique des cellules fournie par les micrographies, qui était celle répandue dans les années 60 à la suite du dévelop- pement de la cytologie électronique, la vision actuelle des processus biologiques est essentiellement dynamique. Ces derniers se manifestent par une déformation inces- sante des membranes cellulaires, des déplacements d’organites sur de longues dis- tances, des trafics en tous sens de molécules au sein du cytoplasme, des échanges d’information entre les cellules et leur milieu, etc.

Les données présentées dans ce livre s’appuient, autant que possible, sur des bases expérimentales ; les techniques utilisées de façon courante en biologie cellulaire y sont donc décrites en détail et abondamment illustrées. La tentation est toujours grande de proposer au lecteur les expériences les plus récentes dans la discipline. Cependant, leur complexité et leur haut degré de technicité conduisent souvent, après la nécessaire sim- plification inhérente au niveau auquel se situe cet ouvrage, à les rendre faussement intelligibles, voire parfaitement inintelligibles pour des non-spécialistes ; une telle approche superficielle tend de plus à faire croire que les données expérimentales sont faciles à obtenir et, par conséquent, définitives. C’est dans cet esprit que des méthodes et des expériences anciennes ont aussi été décrites ; outre leur intérêt historique, elles sont en général de construction plus simple et peuvent être présentées avec tous les contrôles et les témoins indispensables. Elles sont plus faciles à analyser, à critiquer et à comprendre complètement, que des protocoles modernes sophistiqués ; elles illustrent donc mieux la démarche expérimentale et s’avèrent bien plus démonstratives et forma- trices pour le raisonnement scientifique.

La tendance actuelle, reflétée par les titres de plusieurs ouvrages de biologie cellulaire modernes, est d’accréditer l’idée réductrice selon laquelle il existerait une cellule- type et une grande uniformité des phénomènes biologiques à l’échelle cellulaire.

N’a-t-on pas longtemps confondu, de cette façon, Escherichia coli avec l’ensemble des Procaryotes ? S’il est vrai que les biologistes moléculaires nous apprennent que les mécanismes génétiques fondamentaux unifient le monde vivant, il faut bien constater aussi l’extrême diversité morphologique et physiologique des catégories de cellules bactériennes, animales, végétales, etc., qu’il nous est donné d’observer. À la manière des humains, elles sont donc à la fois «toutes semblables et toutes différentes», et c’est ce qui fait sans doute la richesse et l’intérêt de la biologie cellulaire.

Rédiger seul un manuel couvrant une discipline aussi large, dont l’évolution est en outre très rapide, n’est pas sans risques ; nos étudiants méritent bien néanmoins que l’on en prenne quelques-uns. Les spécialistes pourront critiquer les simplifications inhérentes à ce genre d’ouvrage, discuter le choix des exemples et des illustrations, rele- ver les éventuels oublis et erreurs qui ont pu se glisser dans le texte, malgré le soin apporté à sa rédaction et les précautions dont j’ai souhaité m’entourer. Je les prie simplement d’excuser ces imperfections et de bien vouloir me les faire connaître, afin que tous les lecteurs intéressés par l’étude du vivant disposent ultérieurement d’un texte aussi complet, fiable et attractif que possible.

J.-C. Callen Laboratoire de Biologie Cellulaire 4 Orsay

(12)

Je tiens tout d’abord à exprimer ma reconnaissance à Jean-Claude Mounolou, Professeur à l’université Paris-Sud, qui a eu la lourde tâche de lire la totalité de mon manuscrit ; ses commentaires avisés et ses critiques constructives m’ont été d’une grande aide dans la progression de ce travail. Je souhaite également remercier les nombreux enseignants-chercheurs qui ont accepté de revoir et corriger la plupart des chapitres de cet ouvrage :

– Jacques Hourdry et Bernard Rossignol (Professeurs à l’université Paris-Sud), et Jean- Claude Clérot (Maître de conférences à l’université Paris-Sud) ont relu les chapitres 1, 2 et 3.

– Marguerite Picard (Professeur à l’université Paris-Sud) a relu les chapitres 4 et 8.

– Daniel Gros (Professeur à l’université d’Aix-Marseille II), Catherine Berrier et Michel Lemullois (Maîtres de conférences à l’université Paris-Sud) ont relu les chapitres 5 et 6.

– Jacques Hourdry, ainsi que Christian Bock, Daniel Codron et Jean-Pierre Muller (Maîtres de conférences à l’université Paris-Sud) ont relu le chapitre 7.

– Bernard Rossignol a relu le chapitre 9.

– Guy Dubertret (Maître de conférences à l’université Paris-Sud) a relu le chapitre 10.

– Sylvie Souès (Maître de conférences à l’université Paris-V) a relu les chapitres 12 et 13.

– Jean Génermont (Professeur à l’université Paris-Sud) a relu le chapitre 14.

– Jean-Michel Rossignol (Professeur à l’université Paris-Sud) a relu le chapitre 15.

– Hervé Le Guyader (Professeur à l’université Paris-Sud) a relu le chapitre 16.

– ainsi que Jean-Jacques Curgy (Professeur à l’université des sciences et technologies de Lille), Bernard Ducommun (Professeur à l’université Paul Sabatier à Toulouse) et Michel Mercier (Professeur à l’université Bordeaux I) qui ont été consultés lors de l’élaboration du projet.

De très nombreuses photographies illustrant ce manuel m’ont été fournies par mes collègues du Centre d’Orsay ; je les en remercie sincèrement, et, en particulier, ceux du Laboratoire de Biologie Cellulaire 4, dans les archives duquel j’ai abondamment puisé.

J’adresse mes vifs remerciements à Anne Bourguignon et Joëlle Declercq qui ont suscité et supervisé avec efficacité, sans se départir de leur bonne humeur, la réalisation de la première édition de ce livre.

Je sais enfin gré à Roland Perasso, Professeur de Biologie Cellulaire au PCEM de l’Université Paris-Sud (le Kremlin-Bicêtre) d’avoir accepté de lire et corriger l’ensemble des textes biomédicaux qui enrichissent la deuxième édition de cet ouvrage.

Après avoir dédié la première édition de cet ouvrage à la mémoire de Françoise Mignotte, qui aimait passionnément la vie, et n’a pas été payée en retour, mes pensées vont, à l’occasion de la parution de cette deuxième édition, vers Georges Prévost (1927- 1970), Professeur de Biologie Générale à la Faculté des Sciences d’Orsay, trop tôt dis- paru, et grâce à qui j’ai eu la possibilité d’embrasser la passionnante profession d’Enseignant-Chercheur.

J.-C. Callen

REMERCIEMENTS

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Reconstitution en 3D d’une protéine (modèle compact)

Cellules de l’épithélium buccal

de l’Homme

Détection immunocytochimique

d’une protéine

Ribosomes purifiés observés en coloration négative

Bicouches artificielles observées après cryofracture

Membranes plasmiques

de trois cellules voisines Grains d’amidon observés dans une cellule végétale

Chromosomes polyténiques de larve

de Drosophile

Granules de sécrétion dans une cellule

de pancréas

Sacs thylakoïdiens et grana dans un chloroplaste

Structure d’une myofibrille en coupe transversale

Figures de mitose et noyaux dans une racine d’ail

Cellules synchrones en méiose dans un testicule

Parois de cellules végétales dans une coupe

de tige

Virus végétal filamenteux

après ombrage métallique Pseudocellules obtenues in vitro (microsphères)

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Bien que chacun de nous soit intuitivement capable de faire la différence entre un être vivant (un animal ou une plante), et un objet minéral (un caillou ou de l’eau), de nombreuses difficultés sur- gissent lorsqu’il s’agit de définir avec précision ce qu’est un être vivant et ce que représente ce phé- nomène que l’on appelle la vie. À l’évidence, les organismes vivants manifestent des propriétés extraordinaires que ne possède pas la matière inanimée : l’animal se déplace, la graine germe, alors que la roche gît, massive et sans réaction. Il existe visiblement, entre les deux catégories d’objets, des différences qui semblent fondamentales et irréductibles.

L’analyse chimique montre pourtant que l’on y trouve les mêmes atomes et que la matière vivante est constituée de molécules organiques inanimées obéissant aux lois physiques et chimiques qui régissent le comportement de toute matière dans l’univers. Les chimistes nous montrent cependant que la frontière entre le vivant et le non-vivant ne passe pas simplement entre le minéral et l’organique car, depuis plus de 150 ans, ils sont capables de fabriquer de toutes pièces des molécules d’une complexité équivalente à celle des molécules trou- vées chez les êtres vivants. C’est au niveau de l’organisation macroscopique et microscopique de ces derniers que l’on trouve les premiers critères vraiment indiscutables d’une distinction fonda- mentale entre le monde vivant et les objets du milieu minéral : même les êtres vivants les plus simples sont extrêmement complexes si on les compare aux constructions cristallines les plus éla- borées.

Un être n’est pas vivant du seul fait de la com- plexité et du nombre considérable de molécules différentes qui le constituent. Il n’est pas si facile, parfois, quel que soit le niveau d’organisation

auquel on s’adresse, de distinguer la vie ralentie de l’absence de vie, la vie de la mort, et les êtres vivants illustrent par excellence le précepte selon lequel «le tout peut être bien plus que la somme des parties» ! Un organisme n’est vivant que si on peut lui attribuer un certain nombre de propriétés dynamiques rassemblées sous le terme de physio- logie. Les caractéristiques fonctionnelles propres à la matière vivante sont les suivantes :

– accroissement et renouvellement permanent de sa substance, liés à une activité complexe de syn- thèse et de dégradation : le métabolisme ; – capacité de réaction et excitabilité, que l’on peut

détecter à tous les niveaux, depuis la molécule jusqu’à l’organisme ;

– reproduction conforme et, même si cela semble contradictoire, possibilité pour le matériel géné- tique, qui est le support physique de cette pro- priété, de changement et d’évolution.

C’est l’ensemble de ces processus, réunis chez tous les êtres vivants, et associés aux critères de structure signalés plus haut, qui fonde le «phénomène vie». Celui-ci ne relève donc pas d’une force spé- ciale qui caractériserait la matière vivante, comme on le croyait encore à la fin du ^XIX^esiècle (esprit vitaliste) ; et si l’on est tenté de considérer que les organismes vivants forment un monde à part, dis- tinct du monde inanimé, il faut garder à l’esprit que tous les phénomènes qui se déroulent chez eux sont conformes aux lois générales de la physique et de la chimie. L’extrême complexité des molécules, des structures, des mécanismes mis en œuvre et des réseaux d’interactions existant chez les êtres vivants reste cependant l’objet des multiples questions sans réponses auxquelles sont confrontés les biologistes.

Chapitre 1

LA LOGIQUE MOLÉCULAIRE

DU VIVANT. DES MOLÉCULES

AUX ORGANISMES

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1. CARACTÉRISTIQUES IDENTIFIANT LE MONDE VIVANT

1.1.Composition chimique élémentaire de la matière vivante

Bien que n’apportant pas de renseignements direc- tement utiles aux biologistes, la comparaison de la composition atomique de la matière vivante actuelle avec celle des éléments de la biosphère (la croûte terrestre : atmosphère + hydrosphère + lithosphère) est intéressante ; elle souligne en effet

les caractères originaux de la constitution chimique du monde vivant. L’analyse des atomes constitutifs de divers êtres vivants, comparée à celle du monde minéral (voir tableau 1.1), permet de tirer les conclusions suivantes :

– tous les atomes constitutifs des êtres vivants se rencontrent aussi dans la croûte, ce qui semble logique dans la mesure où la vie a pris naissance à la surface de la Terre, bien que les choses soient plus compliquées (voir chapitre 15). Il y a cependant peu de ressemblances entre les deux listes, classées par ordre décroissant d’abondance ; – seuls 20 à 25 éléments sont recensés chez les êtres

vivants, la variation portant sur certains atomes rares non représentés dans toutes les espèces. On

Tableau 1.1

Composition pondérale élémentaire comparée entre la biosphère et deux types d’organismes : animal (corps humain) et végétal (pied de luzerne)

Trois groupes d’atomes, respectivement abondants, peu abondants et rares peuvent être distingués chez les êtres vivants ; quatre éléments : C, H, O, N, rendent compte de plus de 96 % de la masse de ces derniers. L’abondance en O, significativement supérieure chez les Végétaux, tient au degré d’hydratation plus élevé en moyenne chez les cellules végétales, relativement aux cellules animales. (D’après G. Bertrand, 1951).

Biosphère Cellules animales Cellules végétales

(%) (%) (%)

O (8) 50,0 O 62,8 O 77,9

Si (14) 25,8 C 19,4 C 11,3

Al (13) 7,3 H 9,3 H 8,7

Fe (26) 4,2 N 5,1 N 0,8

Ca (20) 3,2

Na (11) 2,3 Ca 1,38 P 0,70

K (19) 2,3 S 0,64 Ca 0,58

Mg (12) 2,1 P 0,63 K 0,22

H (1) 0,9 Na 0,26 S 0,10

K 0,22 Mg 0,08

Ti (22) 0,43 Cl 0,18 Cl 0,07

Cl (17) 0,20 Mg 0,04 Na 0,03

C (6) 0,18

P (15) 0,11 F 0,009 Si 0,0093

S (16) 0,11 Fe 0,005 Fe 0,0027

F (9) 0,10 Si 0,004 Al 0,0025

Ba (56) 0,08 Zn* 0,002 B* 0,0007

Mn (25) 0,08 Al 0,001 Mn 0,0003

N (7) 0,03 Cu* 0,0004 Zn 0,0003

Se (34) 0,02 Se 0,0002 Cu 0,0002

Br* 0,0002 Ti 0,0001

divers 0,47 Mn 0,0001

I 0,0001 divers 0,0001

divers 0,0002

(–) : n° atomique (*) Zn (30), Cu (29), Br (35), B (5)

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distingue trois groupes, selon leur importance : 4 atomes abondants, 7 atomes moyennement ou peu abondants, environ 15 atomes «traces», dont une dizaine sont universels et indispensables à la vie ; les deux premières catégories représentent à elles seules 99 % de la masse totale ;

– la matière vivante sélectionne de façon considé- rable certains éléments du milieu : N (170 fois), C (100 fois), H (10 fois), S et P (6 fois), de sorte que la composition chimique globale des êtres vivants est qualitativement différente de celle du monde minéral ;

– l’oxygène est l’élément le plus représenté dans les deux mondes, car il est un constituant de l’eau ; il est le plus lourd de ceux abondants chez les êtres vivants et le plus léger de ceux abondants dans la croûte terrestre ;

– en dehors de l’oxygène, le monde vivant est caractérisé par le carbone (monde des molécules organiques) alors que le monde minéral est caractérisé par le silicium (monde des silicates).

Il faut remarquer que les quatre éléments les plus abondants chez les êtres vivants : C, H, O, N, sont capables de réaliser des liaisons covalentes en mettant en œuvre : 1 électron (H), 2 électrons (O), 3 électrons (N) et 4 électrons (C) pour saturer leurs orbitales périphériques (à 2 ou 8 positions). Ces éléments sont les plus légers qui soient capables de réaliser des liaisons covalentes (les trois derniers pouvant réaliser des liaisons simples, doubles ou triples) ; avec ces quatre atomes, les êtres vivants élaborent une grande diversité de biomo- lécules, depuis des molécules simples et de petite taille jusqu’à des macromolécules ayant une organisation très sophistiquée.

Le carbone a ainsi un rôle central en chimie organique car il peut, étant situé à mi-chemin entre les atomes électropositifs et électronégatifs, se combiner aisément avec O ou N, aussi bien qu’avec H (on parle alors de forme réduite). De plus, il se lie à lui-même pour donner des chaînes linéaires ou ramifiées, des cycles ou des structures tridimen- sionnelles. L’unique forme minérale de C directe- ment accessible aux êtres vivants est le CO₂gazeux de l’atmosphère ou dissous dans l’eau, que seuls les Végétaux verts et quelques bactéries photosyn- thétiques sont capables d’extraire de la biosphère.

Outre ces atomes majeurs, deux autres, moins abondants, entrent aussi dans la constitution de certaines molécules organiques : S et P (dans les protéines et les acides nucléiques). Tous les autres

éléments existent sous forme ionique, dissous dans les liquides intra- ou intercellulaires, où ils ont des fonctions capitales (cations : Na⁺, K⁺, Ca²⁺; anions : Cl^–, NO₃^–, PO₄^3–, etc.), sous forme de sels insolubles ou de complexes avec des macromolé- cules (en général des protéines).

1.2.Organisation macro- et microscopique Les êtres vivants les plus accessibles à l’observation directe (dite macroscopique) sont caractéri- sés par une morphologie et une organisation générale très diverses et souvent complexes ; celles-ci ont servi depuis longtemps à classer les millions d’espèces vivantes et à poser les premiers jalons de la théorie de l’évolution. C’est aussi cette morphologie caractéristique qui permet aux paléontologues de reconnaître, par analogie, dans des formations entièrement minéralisées la pré- sence d’organismes fossilisés et incorporés au monde inanimé ; s’accompagnant de symétries (par rapport à un axe ou un plan), elle constitue donc dans un premier temps un bon critère d’identification. Il peut y avoir cependant des dif- ficultés avec certains cas particuliers d’êtres vivants contractant des liens étroits avec le milieu minéral (Lichens incrustants, par exemple) ou bien eux-mêmes fortement minéralisés (Algues cal- caires). Cette diversité, qui frappe d’abord l’obser- vateur, cache malgré tout une profonde unité de structure et de composition des êtres vivants.

C’est au niveau de l’organisation interne que cette complexité se manifeste le plus, et ce, jusqu’à l’échelle des cellules, qui représentent les plus petites unités de vie. L’utilisation du microscope et les techniques de la cytologie sont alors indispensables pour en réaliser l’analyse (voir chapitre 2) ; un organisme animal supérieur contient plus de 200 types cellulaires différents ! L’existence de structures emboîtées : organes, tissus, cellules, organites, édifices supramoléculaires, apparaissent fondamentalement caractéristiques du monde vivant et le différencient des constructions miné- rales simples que sont les cristaux. La variété et la complexité des roches que les géologues identi- fient dans le monde minéral sont moins grandes que celles des structures observées chez les organismes vivants, à tous les niveaux d’organisation.

Des structures biologiques microscopiques ont été

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exceptionnellement conservées de façon conve- nable dans des fossiles, au point qu’on peut dater l’apparition, au cours des temps géologiques, des premières cellules procaryotiques ou eucaryotiques (voir chapitre 16). L’organisation précise de ces cellules sera donnée dans le chapitre suivant.

1.3.Métabolisme

Les organismes vivants prélèvent leur matière (minérale ou organique) dans le milieu, mais géné- ralement ils la décomposent, la réorganisent (en consommant pour cela de l’énergie) avant d’en faire leur propre matière : c’est une croissance

«par l’intérieur», par opposition à la croissance

«par l’extérieur» d’un cristal, dans le monde miné- ral. Ce dernier s’accroît en surface, en effet, à partir de sa solution saturée, tout en gardant une cer- taine symétrie. Il peut aussi se fragmenter, dispa- raître, avoir des formes variables en fonction des paramètres du milieu, mais tout cela n’a rien à voir avec la vie, même si cela la mime parfois.

Les êtres vivants ont la capacité unique d’extraire de l’énergie à partir de leur environnement et de la transformer pour construire leurs propres structures. Celle-ci se présente soit sous une forme physique : radiations lumineuses, soit sous la forme de molécules minérales ou organiques, qui sont modifiées et/ou dégradées pour libérer l’énergie contenue dans leurs liaisons chimiques.

L’énergie ainsi produite est aussi transformée en travail mécanique (à l’échelle des cellules et des organismes), en travail osmotique (échanges ioniques) ou simplement en chaleur. En l’absence de toute croissance, le simple renouvellement permanent des constituants de la matière vivante (turn-over) et l’entretien des structures spécifiques exige la mise en œuvre des mêmes processus. Cette activité chimique, appelée métabolisme, implique des échanges permanents de matière et d’énergie avec l’environnement ; l’absence absolue de tels échanges est le seul vrai signe de mort (à l’excep- tion des cellules congelées à très basse température et capables de «revivre», après réchauffement).

Le métabolisme constitue un ensemble hautement intégré de réactions chimiques ayant trois fonctions précises : 1) extraction et stockage de l’énergie, 2) transformation des molécules exo- gènes en matériaux de construction de la cellule (précurseurs), grâce à cette énergie et 3) assem-

blage de ces précurseurs en macromolécules à fonctions structurales, catalytiques et information- nelles. Sur la base de ce découpage, on distingue : le métabolisme énergétique, le métabolisme intermédiaire et le métabolisme relatif aux macromolécules ; les deux premiers sont étroite- ment interconnectés en un réseau complexe de réactions montrant une remarquable unité au sein de l’ensemble du monde vivant.

Le métabolisme peut aussi être divisé en deux phases principales : le catabolisme et l’anabolisme, qui ont lieu simultanément dans les cellules et sont eux aussi étroitement interconnec- tés au niveau de nombreux métabolites communs.

Le premier est représenté par toutes les étapes dégradatives dans lesquelles des molécules complexes : glucides, lipides, protéines (aliments venant du milieu extérieur ou réserves faites par les cellules), sont décomposées en éléments organiques plus simples, et même le plus souvent en composants minéraux (CO₂, H₂O et NH₃). Au cours de ces étapes, l’énergie potentielle (ou éner- gie libre) contenue dans les liaisons chimiques des molécules complexes initiales est stockée sous la forme d’une molécule universelle : l’ATP, dans ses liaisons dites «à haut potentiel énergétique». Une partie des chaînons carbonés n’est cependant pas complètement dégradée et est «mise de côté» pour servir de précurseurs dans l’anabolisme. Celui-ci est une phase de synthèse dans laquelle les précur- seurs simples sont, grâce à l’énergie accumulée, transformés en macromolécules spécifiques : polysaccharides, protéines et acides nucléiques. Cette transformation correspond à une augmentation d’ordre, associée à l’augmentation de la com- plexité des molécules ; ce processus entraîne une diminution d’entropie des systèmes cellulaires et exige une grande consommation d’énergie.

Chaque réaction du métabolisme est catalysée par une enzyme particulière ; ces enzymes fonctionnent selon des chaînes de dégradation ou de synthèse comptant jusqu’à vingt étapes différentes (un exemple de chaîne de biosynthèse simple est donné dans la figure 4.2). Ces chaînes n’ont pas le plus souvent de réalité physique ou structurale mais on a mis en évidence, dans un nombre limité de cas, l’existence de complexes multienzyma- tiques catalysant séquentiellement plusieurs réac- tions chimiques. Dans les cellules eucaryotiques, elles sont cependant souvent séparées dans des compartiments distincts et font l’objet de régula- tions spécifiques.

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1.4.Capacité de réaction

Cette expression recouvre une grande diversité de phénomènes et de mécanismes caractérisant à la fois les êtres vivants et la matière vivante elle- même ; ils peuvent en effet être décrits à toutes les échelles d’analyse : les organismes, les cellules et même les molécules isolées.

Les réactions des organismes animaux à des sti- muli externes, physiques ou chimiques, sont bien connues ; elles mettent en jeu divers systèmes ou appareils : sensoriel, nerveux, musculaire…, souvent d’une grande complexité structurale, et qui induisent des réponses comportementales élabo- rées. Bien que des systèmes non vivants apparte- nant au domaine de la cybernétique puissent mimer certains comportements typiques du vivant, il n’y a pas de comparaison possible entre un mou- cheron et un robot, même sophistiqué, tous deux attirés par une source lumineuse ! Les Végétaux eux-mêmes, plutôt inertes en général, manifestent parfois des réactions rapides et visibles : mouve- ments des feuilles de la sensitive, des plantes car- nivores… Certaines Bactéries sont sensibles au champ magnétique terrestre et orientent leur déplacement en fonction de celui-ci !

Au sein des organismes et des cellules, tous les mécanismes de régulation visant à maintenir l’équilibre physicochimique du milieu intérieur ou du contenu cellulaire, à court ou long terme (homéostasie), relèvent également de cette capa- cité de réaction des êtres vivants vis-à-vis de facteurs externes. Les exemples en physiologie animale ou végétale ne manquent pas et ce manuel en décrira plusieurs à l’échelle cellulaire.

Le niveau moléculaire offre lui aussi de multiples illustrations d’une capacité de réponse pré- sentée par de nombreuses protéines. Les modifications de la conformation générale des enzymes, des récepteurs et des transporteurs membranaires, des protéines de régulation des gènes…, sous l’action d’effecteurs ou de ligands variés, s’accompagnent invariablement d’une modification de leur fonctionnement. Il faut bien comprendre que tout ce qui se manifeste à l’échelle visible, macroscopique, et qui touche au concept d’excitabilité au sens large, trouve en der- nière analyse son origine dans cette propriété remarquable des macromolécules protéiques, et qui appartient en propre à la matière vivante.

1.5.Reproduction et évolution

La propriété la plus extraordinaire, et sans doute la plus caractéristique des organismes vivants, est leur capacité à se reproduire, c’est-à-dire à se per- pétuer à travers une succession de générations.

Cette production de copies identiques à soi revêt des modalités différentes, plus ou moins complexes, selon qu’il s’agit de multiplication asexuée ou sexuée, et selon qu’elle concerne des êtres unicellulaires ou pluricellulaires. À l’échelle cellulaire, la division représente à la fois le moyen d’aug- menter l’effectif des populations de façon clonale (cas des êtres unicellulaires) et de multiplier leur nombre, tout en se différenciant, dans le cadre de la formation d’un organisme pluricellulaire. Dans tous les cas, lorsqu’on envisage une période de temps courte, relativement au temps de généra- tion, la reproduction est caractérisée par une fidé- lité apparemment parfaite, ce qui constitue un avantage pour la survie d’une espèce adaptée à un milieu bien particulier.

La reproduction conforme des individus est parfois si parfaite que certaines espèces actuelles de Bactéries, de Plantes ou d’Animaux ressem- blent à s’y méprendre à des espèces ayant vécu, pour les premières, il y a plusieurs milliards d’années, et pour les secondes, il y a plusieurs dizaines ou centaines de millions d’années. Il suffit de penser aux Cyanobactéries des stromatolithes (voir chapitre 15), au Mollusque primitif, appelé Neopilina, ancêtre des formes modernes, au Cœlacanthe et au Gingko… Toutes ces espèces, figées dans le temps et parfois appelées fossiles vivants, témoignent de l’extrême précision des mécanismes développés par les êtres vivants pour se reproduire à l’identique, sur des millions de générations successives. Et pourtant, il est heureux que tous n’aient pas été aussi parfaits, depuis l’émergence de la vie, car seuls les changements ont permis (et permettent encore) à l’évolution de se produire : si la première cellule avait mis au point un système de reproduction infaillible, elle existerait certes encore, mais elle serait seule, avec ses descendants, sur la planète bleue !

Après avoir rappelé les principales caractéris- tiques des êtres vivants, peut-on donner une défi- nition complète de la vie ? Si la vie est bien ce qui permet de caractériser les êtres vivants actuels, il faut bien comprendre que, dans la mesure où elle est apparue à partir du monde minéral, il y a envi-

(19)

ron 3,5 milliards d’années, les premiers «systèmes vivants» étaient des objets (des êtres ?) beaucoup plus simples que ceux connus actuellement. Il res- sort ainsi que les notions d’autoreproductibilité et d’évolution semblent fondamentales, avant celles de métabolisme et de structure, car elles peuvent déjà s’appliquer à des systèmes moléculaires élé- mentaires tels que les acides nucléiques, qui sont dotés de ces deux qualités, comme on le verra plus loin. La définition de la vie devrait être conçue et exprimée en termes plus larges que ceux générale- ment appliqués aux êtres vivants «traditionnels».

2. DES MOLÉCULES AUX ORGANISMES

2.1.Composition chimique globale de deux cellules types.

Les biomolécules et leur hiérarchie

2.1.1. ANALYSE DE LA CONSTITUTION DE LA MATIÈRE VIVANTE AU NIVEAU MOLÉCULAIRE

À titre d’exemples représentatifs de l’ensemble du monde vivant, une cellule bactérienne (Esche- richia coli) et une cellule animale (cellule de foie de rat) sont analysées du point de vue de leur composition moléculaire. Cette étude nous permet de passer globalement en revue l’ensemble des constituants chimiques d’une cellule, mais surtout elle conduit à établir une hiérarchie dans ces constituants. Le rapport pondéral, la masse molé- culaire moyenne ainsi que le nombre absolu de molécules par cellule sont donnés, pour chaque type cellulaire, dans le tableau 1.2.

Les principales remarques pouvant être faites au sujet de ces données sont les suivantes :

– l’eau représente la plus grande partie de la masse de la matière vivante : environ 75 % ;

– les sels minéraux sont très peu abondants mais leurs rôles, très divers, s’avèrent capitaux ; – du point de vue de leur taille (masse molécu-

laire = MM), les molécules sont regroupées en trois familles : les molécules minérales, de faible MM (eau et sels minéraux), les petites molécules organiques, dont la MM va de 100 à 750 Da et

les macromolécules, édifices géants dont les MM s’échelonnent de 10⁴ à 10¹¹Da ; ces deux der- nières catégories, spécifiques des êtres vivants, sont appelées biomolécules ;

– les molécules organiques (15 à 30 % de la masse fraîche) sont essentiellement représentées par les macromolécules : protéines et ARN ;

– du point de vue de la masse totale et du nombre absolu de molécules par cellule, on note pour chaque type cellulaire que, si les petites molé- cules organiques sont peu abondantes en masse, elles sont individuellement très nombreuses ; au contraire, les macromolécules sont très abondantes en masse, et beaucoup moins nombreuses avec, à la limite, le cas des molécules d’ADN dont on peut trouver une seule copie (chromo- some) par cellule.

En ce qui concerne le nombre d’espèces de bio- molécules, celui des petites molécules organiques (sucres simples, acides aminés, acides organiques, bases azotées…) est relativement limité : 50 à 200, au sein de chaque famille ; ces molécules sont pré- sentes chez pratiquement tous les êtres vivants. En revanche, on montre que les macromolécules (ARN et protéines) sont très diverses : de plusieurs milliers d’espèces (E. coli) à plusieurs dizaines de milliers (foie de rat) ; elles se distinguent donc très nettement des précédentes à cet égard, et sont en fait à la base de la diversité des êtres vivants.

2.1.2. HIÉRARCHIE DES BIOMOLÉCULES

Il est possible d’établir une hiérarchie des bio- molécules caractéristiques des êtres vivants, basée à la fois sur leur taille, leur nombre, leurs fonctions et leur organisation en structures de plus en plus complexes, qui font insensiblement passer de l’échelle moléculaire à l’échelle cellulaire (voir figure 1.1). Il existe une grande unité de composi- tion chimique des constituants organiques « de base » (petites molécules organiques) au sein du monde vivant. Ils y jouent un double rôle de

« briques » (monomères), pour construire des molécules de grande taille (polymères = macro- molécules), et de précurseurs de ces mêmes briques, intervenant comme intermédiaires au cours de leur synthèse à partir de molécules plus simples, ou lors de leur dégradation. Les chaînes de synthèse qui relient ces composés entre eux sont remarquablement conservées, depuis les êtres les plus simples jusqu’aux plus complexes.

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Le monde vivant, en revanche, manifeste une extrême diversité au niveau des macromolécules et des édifices qu’elles constituent. Chaque espèce vivante, chez qui on recense des milliers de types de protéines distinctes, est unique de ce point de vue ; c’est à cette échelle qu’il faut en fait recher- cher l’origine de la biodiversité. Même des pro- téines ayant des fonctions similaires dans des espèces voisines (par exemple, l’hémoglobine chez les Animaux), présentent des compositions diffé- rentes. Seules quelques rares protéines (les his- tones chez les Eucaryotes, par exemple) montrent une composition qui a été bien conservée au cours de l’histoire des êtres vivants ; ceci est lié au fait qu’elles sont soumises à des contraintes évolutives très fortes, en raison de la grande spécificité de leurs fonctions. La diversité des protéines se retrouve évidemment dans les acides nucléiques qui constituent, dans toute cellule, le message

héréditaire (ADN) et les outils de son expression (ARN). Ces deux types de macromolécules infor- matives, ainsi que les protéines, sont qualifiées de

«codées» car leurs fonctions et surtout leur mode de synthèse les distinguent fondamentalement des autres biomolécules. Les macromolécules sont en général stabilisées par des liaisons faibles (non covalentes) et elles constituent des édifices fragiles mais souples, dans lesquels structure et fonction sont étroitement liées. Enfin, une caractéristique majeure des macromolécules est leur capacité à former, par assemblage spontané (autoassem- blage) des édifices de grande taille, dits supramo- léculaires (voir plus loin).

Certaines petites molécules organiques sont suf- fisamment simples du point de vue chimique pour pouvoir apparaître spontanément à partir d’un milieu minéral exclusif, comme cela a pu être le cas sur la Terre primitive, c’est-à-dire dans des

Tableau 1.2

Comparaison des espèces moléculaires caractéristiques de deux types de cellules : procaryotique (E. coli) et eucaryo- tique (foie de rat)

L’hépatocyte de rat a un volume approximativement égal à 1 000 fois celui de la cellule bactérienne (2.10^{– 9}cm³, contre 2.10^{– 12}cm³). Une cellule de grain de maïs ou de blé contiendrait environ 10-15 % d’eau seulement, mais 70-75 % de polysaccharides (réserves d’amidon).

Escherichia coli Cellule hépatique de rat

constituants % du poids nombre % du poids nombre

(MM total de molécules total de molécules

moyenne, par cellule par cellule

en Da)

eau (18) 70 4.10¹⁰ 75-85 4,2.10¹³

inorganiquesions 1-2 2,5.10⁸ 1-2 2,4.10¹¹

(40) petites molécules

et précurseurs

(100-300) 3-4 2,5.10⁸ 0,5-2 1,4.10¹⁰

lipides et

précurseurs 1-2 2,5.10⁷ 2-5 2,5.10¹⁰

(750)

polysaccharides 1-2 / 2-10 /

protéines

(4 .10⁴) 15 3,6.10⁶ 10-12 2,5.10⁹

(10ARN⁴-10⁶) 6 4,6.10⁵ 0,8-1 1,5.10⁸

ADN 1 1-2 0,4 44

(MM = chromosomes

2,5.10⁹)

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conditions abiotiques (voir chapitre 15). Ces molé- cules sont aussi les premières que les chimistes ont su fabriquer de toutes pièces (synthèse de l’urée, en 1828, par WÖHLER, à partir de NH₃ et de cya- nate de plomb). La synthèse des macromolécules, sous leur forme actuelle et selon les modalités mises en œuvre par les cellules, pose en revanche davantage de problèmes : on ne peut concevoir leur origine qu’à travers une très longue histoire encore mal connue (inconnaissable peut-être ?) au cours de laquelle se sont progressivement mis en place des mécanismes de polymérisation contrô- lée. Les biochimistes savent actuellement synthéti- ser de telles macromolécules, mais au moyen de

procédés n’ayant rien à voir avec les mécanismes spécifiquement biologiques.

Pour conclure, on peut dire que si les petites molécules biologiques peuvent être analysées comme n’importe quelle autre molécule (y compris synthétique), grâce aux méthodes de la biochimie, les macromolécules devront être étudiées et interprétées à la lumière d’une hypothèse historique. Celle-ci prévoit qu’elles sont le fruit d’une très longue évolution au cours de laquelle leurs interrelations sont devenues de plus en plus étroites et spécifiques, et grâce à laquelle a pu s’opérer un ajustement de plus en plus parfait entre tailles, formes et fonctions biologiques.

Figure 1.1

Hiérarchie de l’organisation des biomolécules au sein de la matière vivante, depuis les précurseurs minéraux du milieu, jusqu’aux organites et aux cellules

En raison de leur masse moléculaire relativement élevée, et surtout de leur participation directe à la constitution d’édi- fices supramoléculaires de grande taille (membranes), certains lipides structuraux doivent être mis à part, bien qu’ils ne soient pas des macromolécules.

noyau, mitochondries, dictyosomes, plastes...

ribosomes, complexes enzymatiques, membranes, systèmes contractiles (actine / myosine), chromatine, microtubules, paroi

végétale…

acides nucléiques protéines polysaccharides

nucléotides acides aminés oses lipides

ribose, carbamyl- acides glycéraldéhyde, acides

phosphate, α-cétoniques malate, gras,

acides organiques pyruvate glycérol,

alcools aminés Organites

Édifices supramoléculaires MM : 10⁶– 10¹²Da

Macromolécules MM : 10⁴– 10¹⁰Da

Petites molécules organiques : Éléments constitutifs

MM : 100-750 Da

Intermédiaires métaboliques MM : 50-250 Da

Précurseurs du milieu : eau et ions minéraux MM : 18-44 Da

CELLULE

H₂O, PO4^2–, CO_2,NH₄⁺, NO₃^–…