Chapitre 8 : Introduction à la biologie

Chapitre 8 : Introduction à la biologie Cette introduction est proposée dans le but de faire des rappels des classes précédentes et de mettre en place quelques notions nécessaires à cette année. 1- La composition commune des êtres vivants 2- La structure commune des êtres vivants 3- Les quatre grands types de cellules 4- La production d énergie chimique de la cellule 5- L ADN, support de l information génétique 6- Le génome, stabilité au niveau de l espèce 7- Le génotype, variabilité au niveau de l individu 8- La dérive génétique et la sélection naturelle 9- Le cycle cellulaire 10- L expression des gènes : les protéines 11- Indice de parenté 12- Sujets du bac NB : - Fiche : Quelques logiciels de biologie - EPCC du chapitre 8 1

Chap 8, Doc n 1 : Composition commune des êtres vivants 1a- Les molécules organiques, des molécules carbonées Formule développée d un lipide 1b- Composition moléculaire de différents êtres vivants Formule développée de l aspirine Animal : être humain Végétal : algue Bactérie : E.coli Eau 59 % 94 % 70 % Ions minéraux 4,3 % 0,75 % 1,1 % Glucides 0,7 % 3,6 % 1,3 % Lipides 18 % 0,2 % 13,6 % Protides 18 % 1,2 % 14 % Tableau de la composition en molécules de différents êtres vivants 1c- Une autre catégorie de molécules organiques Les acides nucléiques sont des macromolécules (= très grandes molécules) formées par un enchaînement de nucléotides : ils sont le support de l information génétique. Les nucléotides sont le résultat de l'association de trois molécules : une base azotée, un glucide et de l'acide orthophosphorique PO(OH)3. Parmi ces acides nucléiques, on distingue : - l'adn (Acide DésoxyriboNucléique) qui porte les gènes et que l on trouve essentiellement dans le noyau des cellules, - les ARN (Acides RiboNucléiques) qui sont des copies des gènes qui permettent le transfert de l information dans le cytoplasme pour être traduit en protéines. 2 1 La composition commune des êtres vivants La matière inerte et la matière organique utilisent les mêmes atomes qu ils puisent dans ceux disponibles sur Terre mais dans des proportions différentes. Les atomes composant essentiellement la matière organique sont : - le carbone C, - l hydrogène H, - l oxygène O - l azote N. Moyen mnémotechnique : CHON La matière organique des êtres vivants est essentiellement composée des molécules : - d eau (matière minérale) - organiques, classées en quatre groupes : - les protides (protéines et aa) - les glucides, - les lipides - les acides nucléiques (ADN et ARN). Grâce aux longues chaines de carbone caractéristiques des molécules organiques, la matière organique se nomme aussi matière carbonée (Elle a la particularité de brûler.) Cette composition commune de la matière organique est un indice de parenté des êtres vivants. 3

Chap 8, Doc n 2 : Structure commune des êtres vivants 2a- Unicellulaires et pluricellulaires 2 La structure commune des êtres vivants Les êtres vivants sont composés de cellules : - une seule cellule pour les unicellulaires, - plusieurs cellules pour les pluricellulaires. Une cellule est un petit compartiment délimité par une membrane plasmique et contenant du cytoplasme et une information génétique. Schéma des différentes possibilités d unicellulaires et de pluricellulaires eucaryotes selon les grands groupes d êtres vivants NB : Les virus ne possèdent que des protéines et des acides nucléiques mais ils sont obligés d utiliser les cellules d autres êtres vivants pour se reproduire. 2b- Procaryotes et eucaryotes La localisation de l information génétique dans la cellule va permettre de déterminer deux grands groupes : - les procaryotes dont l information génétique se trouve dans le cytoplasme (bactérie). - les eucaryotes dont l information se trouve enfermée dans un noyau (cellules végétales, animales et fongiques). La cellule est l unité du vivant donc c est aussi un indice de parenté des êtres vivants. Schéma d un procaryote Les procaryotes sont identifiés aux bactéries : leur ADN se trouve dans le cytoplasme de la cellule. Les eucaryotes (ou «noyau-vrai») possèdent un noyau, compartiment séparé du reste du contenu cellulaire, qui contient l ADN. NB : Les eucaryotes sont unicellulaires ou pluricellulaires mais les procaryotes sont tous unicellulaires même si certaines bactéries peuvent s associer en chaînette. 4 5

Chap 8, Doc n 3 : Quatre grands types de cellules 3a- La cellule est un espace limité par une membrane qui échange de la matière et de l énergie avec son environnement. Cette unité structurale et fonctionnelle commune à tous les êtres vivants est un indice de leur parenté. Mais il en existe quatre grands types qui déterminent les quatre grands embranchements : les bactéries, les champignons, les animaux et les végétaux. 3 Les quatre grands types de cellules La cellule procaryote, la bactérie : - paroi, membrane plasmique, cytoplasme - information génétique dans le cytoplasme (pas de noyau) La cellule eucaryote végétale : - paroi, membrane plasmique, cytoplasme - noyau (où se trouve l information génétique) - mitochondries et chloroplastes La cellule eucaryote fongique : - paroi, membrane plasmique, cytoplasme - noyau (où se trouve l information génétique) - mitochondries 6 3b- Bilan sur les types cellulaires TOUTES LES CELLULES Membrane plasmique Cellule procaryote, la bactérie Paroi Pas de noyau, pas d organite Cellule fongique Paroi Noyau Organites : mitochondries Schéma des quatre types cellulaires Cytoplasme Cellule animale Noyau Organites : mitochondries Cellule végétale Paroi Noyau Organites : mitochondries et chloroplastes La cellule eucaryote animale : - membrane plasmique, cytoplasme - noyau (où se trouve l information génétique) - mitochondries Des structures communes dans la cellule sont aussi un indice de parenté des êtres vivants. 7

Chap 8, Doc n 4 : Production d énergie chimique de la cellule 4a- La fermentation La fermentation permet de produire de l énergie sous forme de molécules, appelées ATP, en petite quantité, en l absence de dioxygène. Il y a deux types de fermentation : - la fermentation lactique (Ex : bactéries, muscles en manque de O2) : Glucose C6H12O6 à à Énergie + Acide lactique 2 ATP + 2 C3H6O3 - la fermentation alcoolique ( Ex : bactéries, levures, ) : Glucose à C6H12O6 Énergie + Ethanol + Dioxyde de carbone à 2 ATP + 2 C2H6O + 2 CO2 Cette production d énergie se fait dans le cytoplasme (soit par absence de mitochondrie, soit par milieu anoxique). Document n 4b : La respiration cellulaire La respiration cellulaire permet de produire de l énergie sous forme de molécules d ATP, en grande quantité. Celles-ci serviront à d autres réactions chimiques qui nécessitent de l énergie. Glucose C6H12O6 + Dioxygène + 6 O2 à à Énergie + Dioxyde de carbone + Eau 36 ATP + 6 CO2 + 6 H2O Cette production d énergie se fait grâce à un organite, la mitochondrie. La respiration cellulaire est utilisée par la cellule des organismes de type animal, végétal ou fongique. Schéma d une cellule animale 8 Photo d une mitochondrie vue au microscope électronique (x 30000) 4- La production d énergie chimique de la cellule Le métabolisme d une cellule est l ensemble des échanges et des réactions que réalise cette cellule. Cela nécessite souvent de l énergie. Cette énergie peut être produite et stockée sous forme d une molécule appelée ATP. Deux réactions permettent de la produire : - soit par la fermentation qui produit peu d énergie, directement dans le cytoplasme : elle est utilisée par les procaryotes, d autres cellules (levures, cellules musculaires) peuvent se servir de cette voie lorsque le milieu est anoxique (sans dioxygène). - soit par la respiration cellulaire qui produit beaucoup d énergie grâce aux mitochondries : elle est utilisée par toutes les cellules eucaryotes. Cette utilisation de la molécule d ATP est aussi un indice de parenté des êtres vivants. 9

Chap 8, Doc n 5 : ADN, support de l information génétique 5a- ADN, support de l information génétique 5- L ADN, support de l information génétique L information génétique est présente dans chaque cellule de notre corps depuis la première cellule créée à partir des gamètes (un ovule et un spermatozoïde), appelée la cellule-œuf. Dans chaque cellule eucaryote, le noyau renferme l information génétique. Celle-ci a comme support les molécules d ADN. Schéma de l organisme à l ADN 5b- La condensation de la molécule de l ADN Ces molécules sont la plupart du temps sous forme diffuse (déroulée ou décondensée) appelée chromatine. Mais lors de la division cellulaire, elles se condensent en bâtonnets appelés chromosomes et deviennent visibles au microscope. Toutes les espèces utilisent un langage universel, le même «alphabet» de nucléotides : A,T,G,C. Cette universalité de l ADN est un indice de la parenté des êtres vivants. NB : Possibilité de transgenèse Schéma de la condensation de l ADN L ADN est constitué de deux très longues chaines de nucléotides en forme de double hélice. Il n y a que quatre nucléotides différents : l adénine A, la thymine T, la guanine G et la cytosine C. A forme toujours une paire avec T (liés par 2 liaisons H) et G toujours avec C (liés par 3 liaisons H). Selon les molécules d ADN, les nucléotides sont en nombre différent et dans un ordre différent. 10 11

Chap 8, Doc n 6 : Génome, stabilité au niveau de l espèce 6a- Nombre de chromosomes et espèces Chaque espèce possède un nombre différent de chromosomes, c est-à-dire de molécules d ADN condensées en bâtonnets. Espèce Bactérie Maïs Baleine Homme Chimpanzé Cheval Nombre de chromoso mes 1 20 44 46 48 64 Tableau du nombre de chromosomes pour quelques espèces 6b- Les caryotypes Un caryotype est la représentation (photo souvent) des chromosomes d une cellule, par paires homologues (sauf les gamètes) classés selon la taille. Caryotype humain (à gauche), de chimpanzé (au centre), de drosophile (à droite) 6c- Les chromosomes homologues 6 Le génome, stabilité au niveau de l espèce Le nombre de molécules d ADN est caractéristique de l espèce. Ce nombre peut être révélé en faisant un caryotype. Ces molécules d ADN sont fragmentées en gènes, fragment d ADN qui code une information génétique (=une protéine). Elles sont présentes de façon identique dans chaque cellule de notre corps mais les gènes qui sont utiles à la cellule seront activités et les autres gènes resteront silencieux. Dans chaque cellule, les gènes sont toujours sur le même chromosome au même endroit appelé locus). Il existe deux exemplaires de chaque chromosome appelés chromosomes homologues : les gènes sont donc en double exemplaire dans chaque cellule. L être humain possède 46 chromosomes donc 23 paires. Cet ensemble des gènes d une espèce et les parties non-codantes est appelé le génome. ou Schéma d une paire de chromosomes homologues (à gauche à deux chromatides dupliqués et à droite à une chromatide) 12 13

Chap 8, Doc n 7 : Génotype, variabilité au niveau de l individu 7a- Le gène «groupe sanguin» avec l exemple du doc 3a Allèle A Allèle B Allèle O Cet exemple présente le fragment d ADN (= la succession particulière de nucléotides) du gène du «groupe sanguin». Les traits signifient que le fragment possède les mêmes nucléotides. Seuls sont indiqués les nucléotides qui ont changé (autre lettre) ou qui manquent (vide). 7b- Faire un schéma des différentes possibilités de groupes sanguins. 7c- Les différentes mutations - les substitutions : nucléotide remplacé par un autre (ou plusieurs). - les délétions : perte d un nucléotide (ou plusieurs). - les additions : ajout d un nucléotide (ou plusieurs). 14 7- Le génotype, variabilité au niveau de l individu La séquence des nucléotides de l ADN peut subir des modifications correspondant à un changement d un ou plusieurs nucléotides. Ces modifications (substitution, addition ou délétion) sont appelées mutations. Chaque mutation entraine la modification de l information génétique, qui mène à une nouvelle version de ce gène. Si cette variante est significativement présente dans une population, elle est appelée allèle. Cette diversité des allèles est à l origine de la variabilité des individus d une même espèce. L ensemble des allèles d un individu est appelé le génotype. Chaque individu possédant les chromosomes en double, les chromosomes homologues, ont deux versions de chaque gène : - s il possède la même version, on dit que le gène est homozygote - s il possède deux versions différentes, on dit que le gène est hétérozygote. Donc les chromosomes homologues possèdent les mêmes gènes mais pas forcément les mêmes allèles. Les caractères observables de l expression de ce génotype influencé par les facteurs de l environnement donnent le phénotype (niveau moléculaire, cellulaire et macroscopique). NB : Les variations de l ADN peuvent être très importantes au cours du temps et aboutir parfois à de nouveaux gènes donc à de nouvelles espèces. 15

Chap 8, Doc n 8 : Dérive génétique et sélection naturelle 8a- La dérive génétique 8- La dérive génétique et la sélection naturelle La dérive génétique consiste en une modification aléatoire de la fréquence des allèles d une population au cours des générations. Plus la population est petite, plus la dérive génétique est importante. La sélection naturelle est une sélection d un caractère (=allèle) sous la pression des facteurs du milieu. Ces deux mécanismes sont à l origine de l évolution des êtres vivants au cours de l histoire de la vie sur Terre. Schéma d un exemple de dérive génétique 8b- La sélection naturelle Schéma d un exemple de sélection naturelle 16 17

Chap 8, Doc n 9 : Le cycle cellulaire 9a- Le cycle cellulaire : interphase + mitose Le cycle cellulaire se divise en deux étapes : - l interphase : réplication de l ADN, croissance et préparation à la mitose - la mitose : production de deux cellules strictement identiques 9b- La mitose : production de deux cellules strictement identiques Schéma de prophase Schéma de métaphase 9- Le cycle cellulaire Le cycle cellulaire permet à partir d une seule cellule la fabrication de deux cellules strictement identiques génétiquement à celle d origine. On parle d une cellule-mère qui donne deux cellules-filles. Ce processus permet la croissance de l individu et le renouvellement cellulaire. Le cycle cellulaire se divise en deux étapes : - l interphase qui se divise en trois étapes : * la phase G1, phase de croissance et de préparation à la duplication * la phase S permettant la réplication de l ADN (les chromosomes fabriquent leurs jumeaux, une deuxième chromatide, pour permettre, en fin de cycle, de faire deux lots strictement identiques au lot de départ.) * la phase G2, phase de croissance et de préparation à la mitose - la mitose qui se divise en quatre étapes : * la prophase : molécules d ADN se condensent en chromosomes, visibles au microscope et la membrane nucléaire se rompt. * la métaphase : positionnement des chromosomes sur la plaque équatoriale et fixation par leurs centromères au fuseau mitotique. * l anaphase : clivage des deux chromatides et migration vers les pôles. * la télophase : division de la cellule en deux et reconstitution de la membrane nucléaire autour des deux nouveaux lots de chromosomes. 18 Schéma d anaphase Schéma de télophase 19

Chap 8, Doc n 10 : L expression des gènes : les protéines 10a- 10- L expression des gènes : les protéines 10b- Schéma de la production des protéines Les molécules de protéine sont le support du phénotype (= ensemble des caractères observables chez un individu). On constate une grande diversité de phénotypes au sein d une même espèce. Chez les cellules eucaryotes, l'adn se trouve protégé dans le noyau. Cependant, la synthèse des protéines s'effectue dans le cytoplasme. Il existe donc un intermédiaire qui transmet l'information génétique du noyau vers le cytoplasme : ARNm qui est une copie du gène. L expression d un gène se fait en deux grandes étapes : - la transcription est la production de copies de gènes, les ARNM, dans le noyau grâce à une enzyme appelée l ARNpolymérase. NB : Les ARNm peuvent subir un épissage qui mène à des versions différentes d une même protéine. - la traduction est la fabrication d un polypeptide : en effet, l'arnm est suffisamment court pour passer à travers les pores de la membrane nucléaire et atteindre les ribosomes, ateliers de fabrication des protéines, situés dans le cytoplasme. Là, cet ARNm va être décodé pour permettre l'assemblage des acides aminés en polypeptide. NB : Les acides aminés sont apportés aux cellules par l alimentation via la digestion puis le sang. Ils sont apportés spécifiquement aux ribosomes par des structures spécialisées appelées des ARNt (transfert). 20 Schéma de la production des protéines 21

Chap 8, Doc n 11 : Indice de parenté Document n 13a : Indice de parenté 11a- La Un arbre phylogénétique est une figure qui va illustrer des liens de parenté. Plus l'ancêtre commun à différentes espèces sera éloigné dans l'histoire de la vie, plus les espèces seront éloignées. Arbre phylogénétique - Au bout des branches, il y a les espèces ou les groupes. - Les ronds représentent les innovations évolutives. - Les carrés sont les ancêtres communs hypothétiques. - Le temps progresse du bas vers le haut. - Les ancêtres communs sont hypothétiques : on ne peut jamais être sûr qu'un fossile trouvé soit le 1 er représentant à posséder cette innovation évolutive. - Les fossiles ne se placent jamais au niveau des nœuds, ils occupent la même place que les espèces actuelles. Ainsi, un arbre phylogénétique représente les liens de parenté (il ne s agit pas d un arbre généalogique). 11b- Représentation de l évolution de la cellule 11- Indice de parenté La parenté des êtres vivants peut être représentée par des arbres phylogénétiques. Plus des espèces partagent de caractères communs, plus elles sont proches dans l évolution du vivant. Ex : Évolution de la structure de la cellule Information génétique Membrane plasmique Cytoplasme Noyau Mitochondries Chloroplastes Bactérie Cellule animale Cellule végétale Tableau des structures cellulaires des différents types de cellules 22 23

Chap 8, Doc n 12 : Sujets du bac 12a : Les ECE (4 points) L ECE (Évaluation des Capacités Expérimentales) est une évaluation d une heure que vous passerez en fin d année dans le lycée. Vous aurez à répondre à un problème que vous aurez tiré au hasard dans une liste. Les étapes seront toujours les mêmes : - Etape 1 : Concevoir une stratégie pour résoudre une situation. - Etape 2 : Réaliser un protocole de résolution. - Etape 3 : Présentation des résultats (dessin, schéma, tableau, ). - Etape 4 : Exploitation des résultats pour répondre à la situation. Doc n 12b : Les écrits (16 points) Les épreuves écrites sont une évaluation que vous passerez au mois de juin durant 3h30 et qui est divisée en deux parties : - la partie I permet d évaluer la maîtrise des connaissances acquises, notée sur 8 points, (cela peut être une rédaction ou un QCM long ou un peu des deux ) ; - la partie II permet d évaluer la pratique du raisonnement scientifique et de l argumentation ; elle est subdivisée en deux exercices : * le II-1 noté sur 3 points (un QCM court ou un doc à analyser), * le II-2 noté sur 5 points (toujours une rédaction avec des docs). Chap 8, Fiche : Quelques logiciels de biologie 1- Logiciel «Rastop» : 2- Logiciel «Anagene» : L épreuve, notée sur 20 points, est affectée d un coefficient 6 (8 pour les élèves en enseignement de spécialité). 12c : Le contrôle d oral (ou rattrapage) Si vous passez aux rattrapages (moyenne totale des épreuves entre 8 et 10) et que vous choisissez les SVT, seuls les points obtenus audessus de votre note d écrit compteront. L épreuve qui dure 20 minutes est précédée d un temps de préparation de 20 minutes. Vous tirerez au sort un sujet comportant deux questions, relatives à deux parties différentes du programme et vous devrez traiter les deux questions. Ces questions portent une sur le programme obligatoire et l autre sur celui de spécialité. 3- Logiciel «Phylogene» : 24 25

EPCC du chapitre 8 1- Quels sont les quatre principaux atomes de la matière organique? Les quatre principaux atomes sont le carbone C, l hydrogène H, l oxygène O et l azote N (CHON). 2- Quelles les quatre groupes de molécules organiques? Les quatre groupes de molécules organiques sont les glucides, les lipides, les protides et les acides nucléiques. 3- Comment se nomme un être vivant constitué d une seule cellule? Un être vivant constitué d une seule cellule est un unicellulaire. 4- Comment se nomme un être vivant constitué de plusieurs cellules? Un être vivant constitué de plusieurs cellules est un pluricellulaire. 5- Comment se nomme une cellule dont l information génétique est dans le cytoplasme? Une cellule dont l information génétique est dans le cytoplasme est une cellule procaryote. 6- Comment se nomme une cellule dont l information génétique est dans le noyau? Une cellule dont l information génétique est dans le noyau est une cellule eucaryote. 7- Citer les quatre grands types cellulaires? Les grands types cellulaires sont les cellules bactériennes, animales, fongiques et végétales. 8- Quelles sont les structures communes à toutes les cellules? Les structures communes à toutes les cellules sont la membrane plasmique, le cytoplasme et l information génétique. 9- Citer les deux réactions permettant à la cellule de produire de l énergie? Les deux réactions qui permettent à la cellule de produire de l énergie sont la fermentation et la respiration cellulaire. 10- Quelles sont les caractéristiques de la fermentation? La fermentation produit peu d énergie mais peut se réaliser dans le cytoplasme (sans organite) et en milieu anoxique. 11- Quelles sont les caractéristiques de la respiration cellulaire? La respiration cellulaire produit beaucoup d énergie mais nécessite la présence d un organite, la mitochondrie, et d un gaz, le dioxygène 12- Quelle est la molécule support de l information génétique? La molécule support de l information génétique est l ADN. 13- Quelle est la structure de l ADN? L ADN est formé de deux brins en double-hélice. 14- Quelles sont les deux formes que peut présenter l ADN? La molécule d ADN est essentiellement sous forme décondensée appelée la chromatine mais lors d une division cellulaire, elle est sous forme condensée appelée chromosome (forme la plus connue). 15- Quelle est la composition de l ADN? Chaque brin d ADN est une longue succession de nucléotides. 16- Quels sont les nucléotides? Les nucléotides sont l adénine A, la thymine T, la cytosine C et la guanine G. 17- Comment s appareillent les nucléotides? Les nucléotides s appareillent par paire A avec T (liés par deux liaisons H) et G avec C (liés par trois liaisons H). 18- Qu est-ce qu un gène? Un gène est un fragment d ADN qui code une information génétique. 19- Qu est-ce que le génome? Le génome est l ensemble des gènes d une espèce. 20- Qu est-ce que le caryotype? Le caryotype est l ensemble des chromosomes classés par paire et par taille. 21- Quel est le nombre de chromosomes chez l être humain? L être humain possède 46 chromosomes (23 paires). 22- Qu est-ce qu un allèle? Un allèle est une version différente d un gène. 23- Quels sont les deux mécanismes de l évolution? Les deux mécanismes de l évolution sont : - la dérive génétique qui est la modification au hasard de la fréquence des allèles dans une population au cours des générations successives - la sélection naturelle qui est la sélection d un caractère favorisant la survie donc la reproduction d individus sous la pression des facteurs du milieu. 26 27

24- Que permet le cycle cellulaire? Le cycle cellulaire permet la croissance de l individu et le renouvellement cellulaire. 25- Quels sont les deux étapes du cycle cellulaire? Les deux étapes du cycle cellulaire sont l interphase et la mitose. 26- Quelles sont les phases de la première étape du cycle cellulaire? Les phases de la première étape du cycle cellulaire sont : - Phase G1 où il y a croissance et préparation à la phase suivante, - Phase S où il y a réplication de l ADN, - Phase G2 où il y a croissance et préparation à la phase suivante. 27- Quelles sont les phases de la deuxième étape du cycle cellulaire? Les phases de la deuxième phase du cycle cellulaire sont : - la prophase : condensation de la chromatine en chromosomes à deux chromatides - la métaphase : positionnement des chromosomes à deux chromatides sur la plaque équatoriale - l anaphase : clivage des deux chromatides qui migrent vers les pôles - la télophase : division de la cellule en deux cellules-filles. 28- Qu est-ce que le phénotype? Le phénotype est l ensemble des caractères observables d un individu. 29- Quelles sont les molécules support de l expression des gènes? Les molécules support de l expression des gènes sont les protéines. 30- Quelles sont les deux étapes de la fabrication des protéines? Les deux étapes de la fabrication des protéines sont la transcription et la traduction. 31- Que permet la première étape de la fabrication des protéines? La transcription permet la copie du gène, appelée ARNm. 32- Que permet la deuxième étape de la fabrication des protéines? La traduction permet grâce aux ribosomes de traduire l ARNm en un ensemble d acides aminés appelé polypeptide qui est la future protéine. 28