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Approfondissement des connaissances en biologie moléculaire [email protected] Master IADE – Année 2013-2014

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Page 1: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Approfondissement des

connaissances en biologie

moléculaire

[email protected]

Master IADE – Année 2013-2014

Page 2: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Plan du cours

• Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules

– Les molécules du vivant

– Le support de l’information génétique et son décodage

– L’organisation de la cellule animale

• Les outils et les approches expérimentales utilisées par les chercheurs

• Les mécanismes qui permettent aux cellules de communiquer entre elles– Les récepteurs membranaires : les exemples du récepteur ß2-

adrénergique et du récepteur de la leptine

– Les récepteurs nucléaires: l’exemple du récepteur des glucocorticoïdes

– Les canaux ioniques

Page 3: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Rappels de biologie moléculaire

et de biologie cellulaire

Master IADE – Année 2012-2013

Page 4: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Atomes et particules élémentaires

• Un atome est constitué d'un noyau qui est lui même constitué de protons

chargés positivement et de neutrons électriquement neutres

• Autour du noyau se distribuent des électrons qui sont des particules très

peu massive chargées négativement

• Le nombre atomique indique le nombre de protons à l'intérieur du noyau

de l'atome. Il détermine la nature de l'élément et la place de celui-ci dans la

classification périodique

• En général un atome est électriquement neutre, donc le nombre

d'électrons que l'on trouve autour du noyau est aussi égale au nombre

atomique

• Les atomes qui portent une charge sont appelés des ions. Ils ont alors un

nombre d'électrons plus grand (charge négative) ou plus petit (charge

positive) que le nombre atomique

Page 5: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Classification périodique des éléments

Page 6: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Les atomes présents dans les molécules

du vivant

• Hydrogène: H

• Oxygène: 0

• Carbone : C

• Azote: N

• Phosphore : P

• Sodium: Na

• Magnésium : Mg

• Potassium: K

• Chlore : Cl

• Souffre : S

• Calcium : Ca

• Fluor: F

• Fer: Fe

• Nickel: Ni

• Zinc : Zn

• Manganèse : Mn

• Bromure: Br

Page 7: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Molécules

• Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au

moins deux atomes et qui représente la plus petite quantité de matière

possédant les propriétés caractéristiques de la substance considérée

• Dans une molécule, les atomes sont liés par « liaisons covalentes » et elles

conservent leur individualité physique

• La composition chimique d'une molécule est donnée par sa formule

chimique. Par exemple, la molécule de méthane CH4 est constituée d'un

atome de carbone (C) et de quatre atomes d'hydrogène (H) ; la molécule

de dioxygène O2 est constituée de deux atomes d'oxygène (O)

• Les molécules peuvent se trouver à l’état gazeux, liquide ou solide

• A l’état liquide ou solide, des forces faibles telles les « liaisons

hydrogène » et les « forces de van der Waals » maintiennent les

molécules à proximité les unes des autres

• Au cours d’une réaction chimique, l'assemblage des atomes qui

constituent une molécule peut subir des modifications. Une molécule

peut donc se transformer en une ou plusieurs autres molécules.

Page 8: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Les molécules biologiques

• Petites molécules (briques élémentaires)

– Acides gras, Lipides

– Monosaccharides, Oligosaccharides, Nucléotides

– Acides aminés

• Macromolécules (polymères de briques élémentaires)

– Polysaccharides

– Acides nucléiques

– Protéines

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Les acides gras et les lipides

• Lipides: Définis chimiquement comme des esters d’acide gras

et d’un alcool (R’-OH), avec une chaîne R’ variable selon les

alcools (glycérol, alcool à longue chaîne, stérol,...)

• Acides gras: Définis chimiquement par la formule R-COOH,

dans laquelle R est une chaîne carbonée (nombre de C

supérieur ou égal à 4) généralement non ramifiée, saturée ou

insaturée

Page 10: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du
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Nomenclature des acides gras

• Nom d’usage: acide palmitique, acide oléique, acide

arachidonique,...

• Nomenclature pour les acides gras saturés

– Le nom systématique s’écrit: n-(nC) an oique

– n indique que l’acide gras est “normal” ou “non branché”

– nC indique le nombre de Carbone

– an: indique que la chaîne est saturée

– Exemple: acide palmitique

• C16H32O2

• Acide n-Hexadecanoique

Complément de cours

Page 12: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

• Nomenclature pour les acides gras insaturés

– conf-p-[nC] x énoique

– conf-p : configuration et position des doubles liaisons

– [nC] : nombre de carbones

– x : nombre de doubles liaisons (di, tri…)

– Exemple :

• Acide linoléique: C18- δC cis 9-12

• cis-9-12 octadecadiénoique

Complément de cours

Page 13: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

• Nomenclature alternative utilisée en diététique pour

les acides gras insaturés

– Série ω en fonction de la localisation de la

première double liaison à partir de l’extrémité CH3

ω3, ω6, ω7, ω9…

– Exemple : 18:2 ω 6,9 pour l’acide linoléique

Complément de cours

Page 14: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Les propriétés des lipides et de

leurs dérivés

• Pas ou peu solubles dans l’eau

• Solubles dans les solvants organiques non polaires: méthanol,

chloroforme, cyclohexane, éther éthylique, acétone

• Très peu polaires (lipides neutres) ou amphipathiques: tête

polaire liée à une chaîne fortement apolaire

• Répartis en trois grandes classes

– Les lipides vrais qui résultent de la condensation d’acides gras avec

des alcools par une liaison ester : glycérolipides (dérivés du glycérol),

cérides (dérivés d’alcools à longues chaîne), stérides (dérivés du

stérol)

– Les lipides complexes qui dérivent des lipides vrais mais qui

contiennent également de l’azote, du soufre, ou des sucres (oses)

– Les composés à caractère lipidiques: composés terpéniques,...

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Exemples de lipides

• Esters du glycérol

Glycérophospholipides

Diacylglycérol

Glycérol

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Prostaglandine

Aldosterone

Phosphatidylinositol4-5 biphosphate

Cortisol

Vitamine A

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Le rôle des lipides et de leurs dérivés

• Réserves intracellulaires d’énergie

– Triglycérides

• Composants des membranes biologiques

– Phosphatidylcholine, Phosphatidylserine, Phosphatidyéthanolamine....

• Molécules de signalisation

– Hormones stéroïdes: Cortisol, Aldostérone, Estradiol, Progestérone,

Testostérone....

– Médiateurs extracellulaires : Prostaglandines

– Messagers intracellulaires: Diglycérides issus de la dégradation du

phosphatidyl-inositol

• Vitamines, molécules anti-oxydantes

– Vitamine A

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Monosaccharides, oligosaccharides et

nucléotides

• Monosaccharides: Définis chimiquement par la formule Cx(H20)y

dans laquelle x est > ou égal à 3

– Exemple : glucose C6(H20)6

• Oligosaccharides: Oligomères formés d’un nombre n de

monosaccharides liés par des liaisons glycosidiques

– Exemple: maltose, sucrose, lactose

• Nucléotides : Définis chimiquement comme des molécules

organiques composées d'une base azotée, d'un pentose et de 1

à 3 groupements phosphates

– Base azotée: adénine, guanine, thymine, uracile, cytosine

– Pentose: déoxyribose, ribose

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Exemples de monosaccharides

Définis chimiquement par la formule Cx(H20)y dans laquelle x est > ou égal à 3

glucose

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Exemples d’oligosaccharides

Formés d’un nombre n de monosaccharides liés par des liaisons glycosidiques

maltose sucrose

lactose

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Exemple de polysaccharide: le

glycogène

Glycogène

• Glucide complexe polymère du

glucose

• Consiste en une chaîne de

glucoses liés en α (1-4) qui est

branchée en α (1-6) tous les 8 à 12

résidus

• Utilisé par les animaux pour

stocker de l'énergie

• Permet de libérer rapidement du

glucose principalement dans le

foie et dans les cellules

musculaires (au même titre que

l'amidon chez les végétaux).

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Les rôles des mono-, oligo- et

polysaccharides

• Métabolisme énergétique

– Directement métabolisable:

glucose

– Stockage: glycogène

• Constituant des glycolipides

• Constituant des protéines

glycosylées (modification

post-traductionnelles des

protéines)

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Les nucléotides

• Nucléotides : Définis chimiquement comme des molécules

organiques composées d'un pentose, d'une base azotée, et de 1

à 3 groupements phosphates

– Pentose : désoxyribose, ribose

– Base azotée : adénine, guanine, thymine, uracile, cytosine

Bases azotées

Riboadenosine monophosphate (AMP)

Désoxyriboadenosine Monophosphate (dAMP)

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Le rôle des nucléotides

• Composants des acides nucléiques

– Acide Désoxyribonucléique (ADN)

– Acide Ribonucléique (ARN)

• Fournisseurs d’énergie

– Adénosine Tri Phosphate (ATP) fournit

par hydrolyse l'énergie nécessaire aux

réactions chimiques du métabolisme

• Molécules de signalisation

– Médiateurs extracellulaires : ATP, ADP,

adénosine, UTP, UDP et UDP-glucose

– Médiateurs intracellulaires: AMPc

• Donneurs de phosphate

– ATP et GTP agissent comme des co-

enzyme de transfert de groupement

phosphate

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Synthèse de l’AMP cyclique (AMPc) à partir de l’ATP

L’ATP comme source d’énergie

– Du fait de la présence de liaisons riches en énergie (celles liant les

groupements phosphate sont des liaisons anhydride phosphorique),

l’ATP est utilisé pour fournir de l'énergie aux réactions chimiques qui

en consomment. La réaction d'hydrolyse de l’ATP en AMP et

phosphate inorganique 2HPO42- est une réaction exergonique dont la

variation d'enthalpie libre standard vaut -30, 5 kJ⋅mol-1

– ATP + 2 H2O → ADP + Pi + H3O+ : ΔG°' = -30, 5 kJ.mol-1

ATP AMP

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Acide désoxyribonucléique (ADN)

• Constitué d'un

enchaînement de

désoxyribonucléotides :

désoxyriboadénosine (A),

désoxyriboguanosine (G),

désoxyribocytidine (C), et

thymidine (T)

• Présent sous forme d’une

molécule « double brin »

dans les cellules eucaryotes

• Support de l’information

génétique

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Acide ribonucléique (ARN)

• Constitué d'un

enchaînement de

ribonucléotides :

riboadénosine (A),

riboguanosine (G),

ribocytidine (C), et uracile

(U)

• Généralement présent sous

forme de molécule « simple

brin » (ARN messagers),

mais pouvant former des

structures « double brins »

(ARN de transfert)

Page 28: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du
Page 29: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Les acides aminés (ou aminoacides)

• Définis

chimiquement par

la formule H2N–

CHR–COOH, où R

représente la

chaîne latérale,

qui identifie l'acide

aminés

Page 30: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Les rôles des acides aminés et de leurs

dérivés• Neurotransmetteurs

– Glycine

– Aacide glutamique (ou glutamate)

– Acide γ-aminobutyrique (ou GABA) : dérivé de l’acide

glutamique)

– Sérotonine : dérivé du tryptophane

– Histamine : dérivé de l’histidine

– Catécholamine (adrénaline, noradrénaline, dopamine) :

dérivés de la tyrosine

• Constituants des polypeptides qui sont des polymères d’acides

aminés reliés entre eux par des “liaisons peptidiques”

Page 31: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Adrénaline

Acide glutamique

Histamine

GABA

Sérotonine

Page 32: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

• Les polypeptides sont constituées d’un enchaînement

d’acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques

• La séquence des acides aminés définit la structure primaire de

la protéine

11

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Page 33: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

• La chaîne polypeptidique se

replie dans l’espace pour

adopter une structure

secondaire constituée de

feuillets ß et d’hélices α α α α

• Les feuillets ß et les hélices

α interagissent pour former

des structures tertiaires

• Plusieurs chaînes

polypeptidiques identiques

ou différentes peuvent

s’associer pour former des

protéines multimériques

• Certaines protéines

subissent des modifications

post-traductionnelles

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Page 34: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Modifications post-traductionnelles

• Addition d’un groupe fonctionnel : acétylation, alkylation,

méthylation, biotinylation, glutamylation, glycylation,

glycosylation, isoprénylation, phosphorylation, sulfatation,...

• Addition de groupes peptidiques ou de protéines:

ubiquitination, sumoylation, neddylation, urmylation

• Changement la nature chimique des acides aminés:

citrullination, (conversion d'arginine en citrulline),

déamidation, (conversion de glutamine en acide glutamique

ou de l'asparagine en acide aspartique)

• Changements structuraux: création de ponts di-sulfures

(liaison chimique des groupements SH de deux cystéines),

clivage d’une liaison peptidique par une protéase

Page 35: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Le support de l’information

génétique et son décodage

Page 36: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Le principe

• Le code génétique établit une

correspondance entre un

triplet de nucléotides, appelé

codon, et un acide aminé qui

est incorporé dans la protéine.

Il se résume à un tableau

associant chacun des 64

codons possibles avec un des

20 acides aminés présents

dans les protéines

• La transmission de

l’information de l’ADN à la

protéine s’effectue par

l’intermédiaire d’un ARN

messager

Page 37: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

La transcription et la traduction

• Transcription

– Processus permettant la synthèse d’un

ARN messager à partir de l'ADN

– S’effectue dans le noyau cellulaire

• Traduction

– Processus permettant la synthèse de protéine à partir d’une ARN messager

– S’effectue dans le noyau cellulaire

– Fait intervenir des ribosomes qui assemblent les protéines en réalisant la

lecture séquentielle des codons sur l'ARN messager

– Fait intervenir des ARN de transfert qui jouent le rôle d’adaptateurs en

interagissant (1) avec le codon auquel ils s'apparient via un triplet de

nucléotides complémentaires, l'anticodon, et (2) l'acide aminé

correspondant attaché par une liaison ester à leur extrémité 3'-hydroxyle.

Page 38: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Le code génétique

Page 39: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Le rôle des ARN de transfert comme adaptateur

entre acides aminés et ARN messager

• ARN: molécule polaire

• Acides aminés : polaires ou hydrophobes

Site de fixation àl’ARNm

Site de fixation àl’acide aminé

Page 40: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

Le gène et son organisation

Page 41: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du
Page 42: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

L’épissage des ARN messagers

Page 43: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

snRNP

s

spliceosome

L’épissage des ARN messagers

Page 44: Approfondissement des connaissances en biologie … · Plan du cours • Rappels de biologie moléculaire et de biologie cellulaire – Atomes et molécules – Les molécules du

La traduction des

ARN messagers 1

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