BIEN SE NOURRIR EN AFRIQUE

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1 Localisation  2 Structure  3 Multiples protéines  4 Conclusion

1 Localisation

Les principaux constituants du noyau de la cellule vivante sont connus depuis longtemps car ils sont relativement faciles à isoler et analyser chimiquement. On a localisé et identifié:

-dans les chromosomes, l'acide désoxyribonucléique (ADN),

-dans les nucléoles et plus généralement dans l'ensemble de la cellule, l'acide ribonucléique (ARN).

L'ADN ne se trouve que dans le noyau cellulaire et les chromosomes . Son taux dans le noyau est constant et caractèristique de chaque organisme vivant. Le nombre de chromosomes est identique dans tous les noyaux d'une même espèce, à l'exception des cellules reproductrices . Il résulte de ces constats que la quantité d'ADN renfermé dans chaque chromosome est fixe.

Par contre on a localisé des ARN dans les nucléoles, les chromosomes, les mitochondries et le cytoplasme. Ce sont les ribosomes, granules collés sur les membranes cytoplasmiques, qui sont les plus riches en ARN . Les mitochondries et le cytoplasme n'en renferment que de faibles quantités. La diversité des localisations amène à considérer qu'il y a plusieurs types d'ARN différents par leurs compositions et leurs fonctions :

-ARN des ribosomes (ARNr),

-ARN messager (ARNm) provenant de l'ARN nucléaire et migrant vers les ribosomes pour y transmettre le code génétique inscrit dans l'ADN,

-ARN de transfert (ARNs), soluble et se couplant avec des acides aminés pour les activer et les transférer avec l'ARNm .

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Figure 45-Répartition des chromosomes avant la division cellulaire.

Le rôle de l'ADN dans la transmission des caractères génétiques de chaque espèce apparaît lors de la division cellulaire, ou « mitose », au cours de la phase finale du processus de division, alors que les chromosomes se répartissent équitablement entre 2 pôles qui vont se séparer pour former 2 cellules filles dont les caractères morphologiques et comportementaux sont rigoureusement identiques à ceux de la cellule mère.

2 Structure

Pour aller plus loin dans la compréhension de la transmission des caractères héréditaires et de la synthèse des protéines, il faut considérer la structure des acides nucléiques . Les pentoses (Glucose 3), universellement répandus dans la nature, ont la propriété de s'associer avec des bases synthétisées à partir de molécules d'acides aminés. Il y a 5 bases, désignées par la première lettre de leur nom . Sur la figure 46, ci-dessous-, il y a 4 bases : Adénine, Thymine, Uracile, Guanine . La 5ème base est la Cytosine.
Figure 46-Acides nucléiques-1
Figure 46-Acides nucléiques-1

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a) Le cycle à 5 atomes de carbone est formé à partir de glucose 6-phosphate, déshydrogéné et décarboxylé pour former le ribose de l'ARN, ou le désoxyribose de l'ADN. Le cycle est associé à une base, (par exemple A, adénine).
b) Le nucléoside est estérifié par un anion phosphate pour former un nucléotide (par exemple base T, thymine ).
c) L'étoile attire l'attention sur la valence libre de l'anion phosphate. Elle peut être saturée par un autre nucléotide. Ainsi les nucléotides peuvent s'enchaîner pour constituer un brin d'ARN (Figure 47 d, ci-dessous) .
Les valences libres du phosphate sont susceptibles d'établir des liaisons avec un autre brin (Figure 47, e).
Figure 47-La double hélice des ADN
Figure 47-La double hélice des ADN

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Qu'ils soient simples ou doubles, les brins d'ADN présentent une multitude de formes, de longueurs, de séquences qui constituent chacunes des unités d'informations transmissibles, les gènes . Ils sont localisés sur les chromosomes . Leur ensemble, le génome, détermine le patrimoine d'informations héréditaires, c'est-à-dire transmissibles, le génotype de toute personne :
« Avec la découverte de la structure de l'ADN dans les années 1950 et du code génétique dans les années 1960, c'est au cœur de la vie que nous nous adressons . On continue depuis d'engranger les connaissances sur le fonctionnement des gènes et de leur produit, l'ARN, ainsi que sur l'extraordinaire complexité de régulation de l'expression des gènes à l'échelle de l'ADN, des multiples familles d'ARN et jusqu'aux modifications chimiques qui régulent le génome.
A partir des années 1990, l'origine génétique de plus de 8000 maladies humaines et souvent leurs contreparties animales a commencé à être précisément décrite (4 gènes de maladies héréditaires connus en 1987, plus de 4000 aujourd'hui) . L'accés de plus en plus précis, et donc de plus en plus ciblé, au fonctionnement et au dysfonctionnement du génome ouvre de multiples perspectives . Il est possible de diagnostiquer et traiter les atteintes génétiques des humains et des animaux, sélectionner très précisément les caractères génétiques des espèces, et il devient désormais possible d'agir directement au cœur de l'ADN pour le modifier de manière perenne . » (37)

La biologie moléculaire étudie les phénomènes de stockage d'informations génétiques, de leur transmission à leur expression. Les génes sont précisément des segments d'ADN contenant sous une forme codée les informations nécessaires à la synthèse des ARN et des protéines. Chaque acide aminé est indiqué dans l'ADN par un ensemble de 3 paires de bases consécutives, ou codon (Figure 47-e, ci-dessus) . Dans un organisme en période de croissance, il y a de nombreuses divisions cellulaires. La totalité du patrimoine génétique doit être transmise aux cellules filles . L'ADN doit être complétement copié par duplication, synonyme « réplication » . Le rôle de l'ADN s'arrête à ce stade. Le codon doit être transcrit sur un brin d'ARN pour être transféré du noyau vers le cytoplasme où il se lie à un ribosome (Figure 48, ci-dessous).

Ainsi l'ADN chromosomique est responsable des caractères de l'espèce, c'est-à-dire de toute la biosynthèse. C'est sur son modèle que se synthétise l'ARN, modèle duquel vont à leur tour se synthétiser les protéines spécifiques du phénotype, en premier lieu, les enzymes : aptitude à utiliser tel ou tel nutriment, à fabriquer telle ou telle vitamine, telle ou telle hormone, en résumé toutes les fonctions des différents organes.
Figure 48-Le codon, l'ARN messager
Figure 48-Le codon, l'ARN messager

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a) La double hélice de l'ADN est symboliquement représentée par deux séries de cercles décalées l'une par rapport à l'autre. Les nucléotides sont attachés à l'hélice :
-horizontalement par des ponts phosphate,
-verticalement par des liaisons faibles réalisant l'appariement des groupes de trois nucléotides désignés par les lettres A, C, G, T
La transcription concerne un fragment d'ADN, dans le cas présent quatre pas de la double hélice constituant un codon. Seul un brin est transcrit en suivant les flèches. L'autre brin, « matrice » , n'est pas transcrit. Il assure la stabilité de la molécule.

b) Pas à pas, des fragments d'ARN sont enchaînés. Ils transcrivent les informations lues dans le codon en suivant le tracé des flèches. Noter que lors de la transcription la base T est remplacée par la base U.

Puis l'ARN messager quitte le noyau cellulaire pour migrer dans le cytoplasme à destination des ribosomes (flèche verticale de la figure).

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c) L'ARN messager quitte le noyau cellulaire, migre au travers du cytoplasme pour s'attacher aux ribosomes.

d) Au niveau des ribosomes, des brins d'ARN de transfert, enroulés d'une manière compliquée, lisent le code de l'ARN messager, établissent la correspondance entre code et acides aminés, puisent dans le stock d'acides aminés, attachent les acides sélectionés pour construire une chaîne de protéines, les peptides. On a représenté un peptide en cours de construction comportant 4 acides aminés (asparagine, proline, phénylalanine, leucine).

Chacune des étapes décrites Figure 48 a) b) c) d) sont catalysées par des enzymes qui sont elles-même générées par un processus identique:

« De la bactérie à l'homme, c'est à partir du code à 4 lettres universelles (bases A, C, G, T), que la matière vivante maintient cette stabilité dans la durée qui la caractèrise, qu'elle informe et forme ces molécules protéiques spécifiques de chaque individu et cependant ayant des fonctions générales chez tous.

… La chaîne de phosphate et de désoxyribose fixant deux bases purique (bases A, G ) et deux bases pyrimidiques (bases C,U,T), s'appareillant deux à deux, est la loi fondamentale que chaque nouvelle cellule reçoit de ses parents pour bâtir dessus toute sa société d'ARN, de protéines actives ou de soutien, ses molécules sensibles aux agents de communication intercellulaire, hormmonaux ou nerveux, les molécules qui témoignent de son existence, sécrétion, mouvement, potentiel électrique. » (38)

On trouve dans ce texte l'ébauche d'une classification des protéines , sachant que chaque organisme en contient des milliers différentes par leurs fonctions.

3 Multiples protéines:

    -Protéines de structure, responsables de la forme et de la stabilité spatiale des cellules et des tissus . Exemples : le collagène, substance intercellulaire des tissus conjonctifs ; les histones étroitements associées à l'ADN des noyaux cellulaires.

      -Protéines de transport. Exemples : l'hémoglobine des globules sanguins assurant le transport de l'oxygène et du gaz carbonique entre l'appareil respiratoire et les cellules de l'organisme ; les albumines du blanc d'œuf, du plasma sanguin, du lait, intervenant dans les transports d'hormones, d'acides gras, de sels biliaires, de médicaments, d'ions minéraux ; autre exemple : les protéines des membranes cellulaires qui assurent le transit des ions minéraux entre le plasma et le liquide extérieur.

      -Protéines du système immunitaire, protégeant l'organisme contre les attaques des bactéries et virus, et contre les substances étrangères . Exemple : γ-Globulines, anticorps libérés dans le plasma sanguin .

      -Protéines régulatrices, signaux (hormones) ou récepteurs d'hormones. Exemple : l'insuline est une petite molécule peptidique composée de 51 acides aminés . Elle a un rôle majeur dans le métabolisme du glucose soit en augmentant son utilisation, soit en bloquant la néoglucogénèse. Elle est secrétée par les cellules β du pancréas. Une carence dans sa production engendre un diabète de type 1 , tandis que le diabète de type 2 est dû à une résistance de l'organisme à l'insuline (cf effets néfastes du diabète,MNT-3,5) . L'insuline a des hormones antagonistes, le glucagon secrété par les cellules α du pancréas et l'adrénaline des glandes surrénales.

      -Protéines enzymatiques, catalyseurs qui augmentent notablement les vitesses des réactions du métabolisme. En l'absence de catalyseur, les réactions sont très lentes car la probabilité de rapprochement entre les molécules réactantes ,« substrats », sont très faibles. Par contre les enzymes rapprochent les substrats et les engrenent les uns dans les autres, à la manière d'une clef dans une serrure, pour déclencher les réactions et en propager les effets.

      Dans les milieux vivants, des centaines d'espèces chimiques cohabitent ensemble soit à l'intérieur des cellules, soit à l'extérieur. Dans les deux cas elles sont susceptibles de réagir entre elles. Les enzymes coordonnent ces interactions pour leur donner une finalité. On connaît plus de 2000 enzymes, souvent associées à des co-facteurs organiques ou minéraux. Leurs modes d'action peuvent être antagonistes. C'est ce qui caractérise la spécificité, ou orientation, des actions enzymatiques.

      En fait l'approche biochimique de la catalyse enzymatique ne doit pas être dissociée du phénomène général de division cellulaire. Par exemple, une petite quantité de ferment, des bactéries du genre lactobacillus, introduite dans une cuve pleine de lait va provoquer en quelques heures à 20-25°C, la transformation d'une partie du lactose du lait en acide lactique. La réaction fait intervenir des composés intermédiaires, avec des enzymes spécifiques à chaque étape du processus. Mais c'est la croissance cellulaire des bactéries et leurs divisions qui les propagent dans le milieu. Chaque cellule fabrique les enzymes nécessaires à sa croissance et provoque la fermentation du lait. Lorsque la population de bactéries atteint un certain niveau de densité, les divisions cellulaires cessent, les activités enzymatiques cessent. On reste dans le schéma général de développement de la matière vivante soumise à ses codes génétiques (Figure 49, ci-dessous).

      -Protéines de mouvement. Les cils vibratiles de certaines bactéries, les flagelles d'algues unicellulaires, des spermatozoïdes, sont des exemples de protéines dont les déformations provoquent des mouvements. Le raccourcissement des fibres d'actine lors des contractions musculaires en est aussi un exemple. L'actine est associée a une autre protéine fibreuse, la myosine, capable de fixer des molécules d'ATP, qui fournit l' énergie nécessaire.

      4 Conclusion

      La biochimie est en constant développement. Dans ce guide pédagogique, on a présenté les principaux contenus de base, en mettant en évidence les connections entre leur matière et les disciplines voisines comme la biochimie cellulaire, l'étude de certains organes humains, la physiologie et la génétique. Ces recouvrements font apparaître l'immense diversité des composés organiques, dans leur structure et leur propriétés.

      La classification des enzymes en fournit un dernier exemple: Oxydoréductases,
      Transférases,
      Hydrolases,
      Lyases,
      Isomérases,
      Ligases.

      Leurs fonctionnalités diffèrent, mais elles ont un point commun qui est le rôle de l'ATP, universel transporteur d'énergie( Figure 49, ci-dessous).
      Figure 49-Constituants universels de la matière vivante
      Figure 49-Constituants universels de la matière vivante

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      Figure 50-Cycle du carbone
      La diversité des protéines, permet à chaque espèce animale de croître dans son environnement, d'en utiliser les ressources minérales et organiques, de cohabiter avec d'autres espèces végétales ou animales. Le cycle du carbone présente de manière synthétique quelques unes des composantes des écosystèmes. Le carbone du glucose est prélevé dans l'atmosphère lors de la photosynthès; il est restitué par la respiration aprés avoir subi toute une série de transformations qui sont à la base de la nutrition.
      L'azote est aussi un constituant majeur et universel de la matière vivante. Largement présent dans l'atmosphère, il n'est pas directement assimilé par les végétaux . Sa fixation passe obligatoirement par des bactéries du sol ou des milieux aquatiques. Les plantes absorbent l'ammoniac issu des décompositions animales et végétales présentes dans ces milieux. Elles élaborent les protéines utilisées par les animaux herbivores qui sont la nourriture des carnivores.