I – Des molécules du vivant à la cellule : organisation fonctionnelle IntroI – Des molécules du vivant à la cellule : organisation fonctionnelle

L'étude des molécules vise essentiellement à mettre en relation la nature chimique des constituants du vivant, leurs propriétés, leur réactivité et leurs fonctions biologiques. La présentation des biosynthèses et des grandes voies du métabolisme est réalisée en lien avec celle des biomolécules elles-mêmes. Elle
permet la compréhension des mécanismes impliqués dans la réalisation des flux d'énergie qui traversent la cellule, mais aussi des écosystèmes et des cycles biogéochimiques des éléments (§ III-B et III-C).
L'unité fonctionnelle de la cellule se construit au fur et à mesure des chapitres et des exemples rencontrés, intégralement en première année. Les différents chapitres font référence à des exemples concrets de cellules permettant de mettre en place progressivement des concepts généraux (compartimentation cellulaire, spécialisation etc.). Il s'agit de montrer des grands types d'organisation (Eubactéries, Métazoaires, Angiospermes) et l'existence d'édifices supramoléculaires en interaction (membranes biologiques en particulier), mais surtout l'unité des principes de fonctionnement des cellules. Les différenciations et spécialisations cellulaires rencontrées seront reliées au fonctionnement global d'un organisme (§ II-A), à son développement (§ II-D) ainsi qu'à l'expression génétique (§ IV-A) et sa relation au phénotype.
I-A Organisation fonctionnelle des molécules du vivant (1e année)
I-B Membrane et échanges membranaires (1e année)
I-C Métabolisme cellulaire (1e année)
I-C-1 Les réactions chimiques du vivant
Connaissances clés à construire : Commentaires, capacités exigibles :
Les transformations chimiques qui constituent le métabolisme obéissent aux lois de la thermodynamique et de la cinétique chimique.
Elles sont accélérées par des biocatalyseurs, les enzymes, qui permettent à ces réactions de se produire à des vitesses importantes dans les conditions du vivant (température, pH, etc.).

Certaines transformations donnent lieu à un couplage énergétique.
Les enzymes sont les facteurs de couplage.

Le contrôle de la réalisation des transformations dépend :
- de la présence des enzymes, liée au niveau d'expression des gènes ;
- des changements conformationnels intervenant à tous les niveaux structuraux ; ces modifications sont induites par l'association, covalente ou non, à un ou plusieurs ligands.

La nature des enzymes présentes dans les cellules ou les compartiments ainsi que la spécificité des associations entre ces enzymes et leurs ligands sont des éléments de la spécialisation des cellules.





- analyser les conditions thermodynamiques et cinétiques de la réalisation des transformations chimiques dans la cellule (variation d'enthalpie libre, chemin réactionnel, pH et T optimales) de façon à identifier et argumenter la notion de transformation spontanée et la nécessité de couplages entre transformations ;

- analyser les couplages en termes thermodynamiques sans détail des mécanismes moléculaires (exemples possibles : hexokinase, pyruvate kinase) ;
- identifier les effets de la fixation de ligands sur la cinétique d'une réaction catalysée par une enzyme ;
- interpréter ces effets en termes de modification allostérique ;
- analyser le mécanisme de contrôle sur une protéine monomérique et une protéine oligomérique (exemples préconisés : hexokinase et glycogène phosphorylase, sans mémorisation du détail de l'interaction entre radicaux d'acides aminés) ;

Liens :
Travaux pratiques (2 séances) cinématique enzymatique et son contrôle L'analyse des sites des protéines (§ I-A-2), certains concepts construits sont réinvestis dans d'autres situations d'interaction protéine-ligand (contrôle du développement (§ II-D), interaction messager chimique-récepteur (§ II-C), etc.).
I-C-2 Biosynthèses caractéristiques
I-C-3 Aspects énergétiques du métabolisme – liens avec les synthèses
I-D Synthèse sur l'organisation fonctionnelle de la cellule (1e année - 2 h)
Travaux pratiques (1e année, 6 séances)
II – L'organisme : un système en interaction avec son environnement
III – Populations, écosystèmes, biosphère
IV – La biodiversité et sa dynamique




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