Bio - 1. évolution et origine du vivant 1.2. Le vivant : son origine, son évolution (pt. 3 : Systèmes catalytiques, LUCA, métabolisme primitif (PPT1, VII à X) )

Qu'est-ce qu'un système catalytique ?

Système capable d'accélérer la vitesse à laquelle une réaction chimique se passe. Exemple de catalyseur : les enzymes, de nature protéique (ce sont des protéines).

Énoncez le dilemme de la poule et de l'œuf.

Faire des protéines nécessite des acides nucléiques (l’ADN porte l’information, l’ARN la transporte), et faire des acides nucléiques nécessite des protéines (les polymérases, les enzymes de la transcription).

Quel est le cycle actuel de l'information génétique ?

Enzymes, puis ADN, puis ARNm (grâce à d'autres enzymes), puis traduction par les ribosomes qui lisent l'ARNm pour synthétiser une protéine à partir d'un gène. Il faut donc de l'ARN pour obtenir des protéines (via ribosomes et ARNm), mais des protéines pour obtenir de l'ARN.

Quelle est la différence entre ADN polymérase et ARN polymérase ?

L'ADN polymérase fabrique de l'ADN à partir d'une matrice d'ADN (réplication). L'ARN polymérase se fixe sur l'ADN, ouvre la double hélice et copie un brin en ARN messager (transcription). Le nom indique le produit, pas la matrice.

Quelles sont les trois réponses proposées au dilemme de l'a poule et de l’oeuf ?

1) RNA World : certaines molécules d'ARN possèdent des propriétés catalytiques ; l'ARN peut être à la fois substrat et enzyme. Un monde où l'ARN était à la fois le support de l'information génétique et le catalyseur de réactions chimiques.

2) Protein World : certains protéinoïdes possèdent des propriétés catalytiques (synthèse d'autres protéinoïdes).

3) Both RNA and Protein World : les deux types de macromolécules ont été formées, sur des argiles, lors de la même chimie prébiotique.

Laquelle de ces trois hypothèses est la plus favorisée ?

La première, le RNA World.

Qu'est-ce qu'un ribozyme et quand ont-ils été découverts ?

Molécule d'ARN possédant des propriétés catalytiques. Découverte dans les années 1980.

Quelles sont les propriétés connues des ribozymes naturels et artificiels ?

Modification de nucléotides, synthèse de nucléotides, modification d'oligonucléotides (activité endonucléase), jonction de deux oligonucléotides (activité ligase), synthèse de nouveaux oligonucléotides (activité polymérase).

Qu'est-ce qu'un oligonucléotide ?

Court fragment d'acide nucléique, c'est-à-dire une chaîne de quelques nucléotides seulement, typiquement une vingtaine à une centaine.

En quoi le ribosome est-il lié aux ribozymes ?

Le ribosome est un complexe ribonucléoprotéique (fait d'ARN et de protéines) : 82 protéines et 4 ARNr chez les eucaryotes, répartis en deux sous-unités. C'est la composante ARN, et non la composante protéique, qui catalyse la formation du lien peptidique.

Citez trois exemples de ribozymes naturels.

1) La ribonucléase P, présente dans tous les organismes vivants, catalyse la maturation des ARNt ; sa composante ARN est active seule, pas la composante protéique.

2) L'épissage des introns fait souvent intervenir des ARN catalytiques.

3) Dans tous les organismes vivants, c'est la composante ARN du ribosome qui catalyse la formation du lien peptidique.

Qu'est-ce que l'ARNt et quel est son rôle ?

ARN de transfert : c'est le « livreur ». Petite molécule qui transporte un acide aminé et le dépose au bon endroit. Elle porte un anticodon qui s'apparie au codon correspondant de l'ARNm, ce qui garantit que le bon acide aminé arrive à la bonne position.

Quel est le but de la génération in vitro de ribozymes artificiels ?

Montrer qu'en partant d'ARN aléatoires, la seule combinaison hasard + sélection suffit à faire émerger des ARN catalytiques performants, ce qui rend plausible l'apparition spontanée de ribozymes sur la Terre primitive.

Décrivez le cycle de génération in vitro de ribozymes artificiels.

1) Random DNA pool (banque aléatoire de séquences polynucléotidiques).

2) Transcription donne un Random RNA pool (ARN aléatoires).

3) Étape sélective : on garde les ARN actifs, dont l'activité est au départ faible, on jette les inactifs.

4) Transcription inverse vers un Selected DNA pool.

5) PCR mutagène (mutagenèse aléatoire) qui réintroduit de la diversité.

6) On refait le cycle X fois jusqu'à obtenir des ARN catalytiques de plus en plus performants.

Pourquoi repasse-t-on par l'ADN dans ce cycle de génération in vitro de ribozymes artificiels?

Parce que l'ARN est très fragile : on préfère manipuler l'ADN en laboratoire, d'où le passage par la transcription inverse.

Que signifie PCR et que veut dire « mutagène » ?

PCR = Polymerase Chain Reaction, technique de copie massive d'un fragment d'ADN. Mutagène = qui provoque des mutations : la PCR est volontairement rendue imprécise pour introduire de la diversité.

Qu'ont permis de faire les expériences de sélection/évolution in vitro ?

Faire évoluer des ARN catalytiques pour réaliser des réactions spécifiques, comme par exemple les faire produire une copie d'eux-mêmes.

Quelle est la limite de l'expérience de génération in vitro de ribozymes artificiels?

Le laboratoire utilise des enzymes protéiques (polymérases, transcriptase inverse) alors qu'il prétend montrer un monde sans protéines. C'est une vraie limite, connue. Mais ce que l'expérience veut démontrer est plus modeste : à partir de séquences aléatoires, la seule combinaison variation + sélection fait émerger des ARN catalytiques. C'est le principe qui est testé, pas la reconstitution historique.

Résumez le passage du monde prébiotique au monde ADN/protéines.

Prebiotic world (synthèse et assemblage des acides nucléiques), puis RNA world (l'ARN stocke l'information ET catalyse), puis DNA/protein world (l'ADN stocke, les protéines catalysent).

Quelle caractéristique des ARN est-elle importante dans le RNA World ?

Les erreurs de réplication : les ARN étaient capables de se répliquer, mais également de commettre des erreurs, un ingrédient nécessaire à l'évolution. (Se répliquer = transmettre l'information génétique aux descendants.)

Pourquoi l'ADN a-t-il remplacé l'ARN comme support de l'information ?

Parce qu'il est plus stable. Les similitudes entre ARN et ADN, tant sur le plan structurel que fonctionnel, laissent penser que l'ARN pourrait avoir été un précurseur de l'ADN. Les protéines, également douées de propriétés catalytiques, deviennent les catalyseurs du métabolisme cellulaire.

Que signifie LUCA et qu'est-ce que c'est ?

Last Universal Common Ancestor : l'ancêtre commun de tous les êtres vivants actuels. Un individu d'un groupement d'individus unicellulaires.

Que représente la partie gris clair sur le schéma de l'apparition de LUCA ?

Tous les essais et erreurs entre l'origine de la vie et LUCA : ces séries de branches ont disparu.

Décrivez LUCA.

Très performant.

Il devait ressembler à une bactérie : unicellulaire, procaryote (pro, avant ; karuon, le noyau).

Il n'est PAS la première cellule : LUCA est déjà un organisme sophistiqué, le fruit d'une longue évolution.

C'est à partir de LUCA qu'on a défini les trois domaines de la vie actuelle : eucaryotes, bactéries et archées.

Quelles fonctions attribue-t-on à LUCA ?

Glycolyse, traduction, métabolisme des glucides (carbohydrate metabolic process), aminoacylation des ARNt pour la traduction.

Qu'est-ce que le métabolisme des glucides (une des fonctions de LUCA) ?

L'ensemble des réactions qui permettent à la cellule de traiter les sucres : les dégrader pour en tirer de l'énergie, les transformer les uns en les autres, les stocker.

Qu'est-ce que l'aminoacylation des ARNt et pourquoi figure-t-elle chez LUCA ?

L'opération qui charge un ARNt avec son acide aminé.

C'est l'étape qui garantit la fidélité du code génétique : si un ARNt était chargé avec le mauvais acide aminé, le ribosome le placerait quand même et la protéine serait fausse. Tous les organismes actuels utilisent le même système, donc LUCA le possédait déjà.

Quel est l'enjeu d'un métabolisme primitif ?

Trouver de l'énergie et des blocs de construction. Principe de parcimonie : on suppose le mécanisme le plus simple possible.

Qu'est-ce que l'ATP et de quoi est-il composé ?

Adénosine triphosphate, la monnaie d'échange des cellules. Composé d'adénine (base azotée), d'un ribose (sucre) et de trois groupes phosphate. C'est un nucléotide. Elle est produite, puis hydrolysée pour en retirer l'énergie, donnant de l'ADP (adénosine diphosphate), qui peut être retransformé en ATP. Ex. : en marchant, on hydrolyse continuellement de l'ATP.

Où est stockée l'énergie dans l'ATP ?

On peut imaginer l'ATP comme un ressort sous tension, prêt à se détendre. La libération d'énergie lors de l'hydrolyse est principalement due à la répulsion électrostatique entre les charges négatives des groupes phosphates. Ces groupes sont liés par des liaisons covalentes ; quand elles sont rompues, les charges négatives se repoussent mutuellement, libérant de l'énergie.

Écrivez la réaction d'hydrolyse de l'ATP.

ATP + H2O donne ADP + Pi + énergie.

Qu'est-ce que le Pi ?

Le phosphate inorganique (PO4 3-). Inorganique car minéral, puisqu'il ne contient pas de carbone.

Les cellules stockent-elles beaucoup d'ATP ?

Non : elles peuvent en stocker de petites quantités, mais elles doivent constamment en synthétiser pour répondre à leurs besoins énergétiques.

Qu'est-ce qu'une réaction exergonique ? Endergonique ?

Exergonique : réaction qui LIBÈRE de l'énergie. Endergonique : réaction qui CONSOMME de l'énergie, fournie par l'hydrolyse de l'ATP.

Énoncez l'hypothèse des crises énergétiques successives.

L'évolution du métabolisme aurait pu être favorisée par des fluctuations environnementales, tels que des changements dans la disponibilité de composés organiques ou inorganiques. Principe : le métabolisme le plus simple d'abord.

Qu'est-ce que l'hétérotrophie ? L'autotrophie ?

Hétérotrophie : mode de nutrition courant, impliquant de se nourrir à partir de matière organique préexistante ; la source de carbone est organique.

Autotrophie : développée plus tardivement, elle permet d'utiliser du carbone inorganique pour se construire ; les organismes autotrophes se développent sans prélèvement de molécules organiques dans leur milieu.

Citez les cinq étapes de l'évolution du métabolisme (IX.2).

1) ATP tout fait : présence dans la soupe primitive d'ATP (ou d'une molécule apparentée) que les protocellules hydrolysaient. Hétérotrophe, métabolisme le plus basique possible.

2) Pénurie d'ATP, donc les sucres : utilisation de molécules organiques riches en énergie formées dans la soupe primitive, pour produire son propre ATP (glycolyse/fermentation). Hétérotrophe.

3) Pénurie de molécules organiques, donc le carbone minéral : photosynthèse bactérienne primitive anoxygénique. Autotrophe. CO2+ 2 H2S + photons -> CH2O + 2 S + H2O. Anoxygénique = qui ne produit pas d'oxygène. Les organismes utilisaient l'énergie solaire et des réducteurs tels que l'hydrogène H2 ou le sulfure d'hydrogène H2S au lieu de l'H2O. Certaines bactéries le font toujours : les bactéries pourpres sulfureuses. Permet de produire soi-même ses molécules organiques.

4) Évolution du processus : photosynthèse oxygénique. Autotrophe. 6 CO2+ 6 H2O + photons -> C6H12O6+ 6 O2. L'eau devient le donneur d'électrons.

5) Oxydation de molécules organiques de manière aérobie : la respiration. C6H12O6+ 6 O2-> 6 CO2+ 6 H2O + ATP. Elle permet de produire de l'énergie sous forme d'ATP en utilisant l'oxygène comme accepteur final d'électrons. Le bilan des étapes 4 et 5 est le même, inversé.

Où se situait LUCA dans ces cinq étapes ?

À la deuxième étape : capable de glycolyse et de fermentation. De fait, nous descendons tous de LUCA et nous sommes tous capables de glycolyse. La glycolyse est une voie métabolique universelle qui se produit dans pratiquement tous les organismes vivants, procaryotes (bactéries et archées) comme eucaryotes (animaux, plantes, champignons, protistes).

Expliquez le lien entre glycolyse, fermentation et respiration.

La glycolyse est la première étape de la fermentation ET de la respiration : le glucose est coupé en 2 pyruvates, ce qui produit 2 ATP, sans besoin d'oxygène. Ensuite, deux voies : sans O2, fermentation proprement dite (le pyruvate est transformé en acide lactique dans les muscles ou en éthanol chez la levure), aucun ATP supplémentaire, total 2 ATP ; avec O2, respiration (cycle de Krebs + chaîne respiratoire), total 36 ATP.

Quelles sont les deux stratégies métaboliques spécialisées retenues (IX.3) ?

1) Les cyanobactéries développent la photosynthèse oxygénique (après l'anoxygénique) : très efficace, mais produisant un sous-produit toxique, l'oxygène gazeux O2.

2) Les protéobactéries optimisent une voie métabolique d'oxydation des composés organiques, la fermentation ; certaines s'habituent à la présence d'oxygène au point de l'utiliser pour optimiser l'oxydation de composés organiques (respiration cellulaire).

Que retenir des cyanobactéries et des protéobactéries ?

Cyanobactéries : les premières à produire de l'oxygène ; après des millions d'années, l'O2 s'accumule dans l'atmosphère. Il est toxique pour énormément d'organismes (oxydant puissant) et beaucoup ont disparu. Protéobactéries : d'abord glycolyse/fermentation, puis changement de métabolisme vers la respiration cellulaire, bien plus performante (2 ATP contre 36 ATP par glucose).

Pourquoi l'oxygène est-il décrit comme un gaz toxique ?

La photosynthèse oxygénique rejette un sous-produit très toxique, l'oxygène gazeux. Ce gaz était un poison pour tous les organismes de l'époque. Très réactif, il se combina spontanément à d'autres éléments (H2, CH4, CO, H2S, FeS). Il ne s'est donc pas accumulé directement dans l'atmosphère. Par la suite, il finit par s'accumuler progressivement dans l'atmosphère et l'eau, obligeant les organismes à s'y adapter voire à l'utiliser : passage à une atmosphère oxydante.

Quand commence l'accumulation d'oxygène et quelles en sont les conséquences ?

-2,7 à -2,2 milliards d'années. Conséquences : développement de la couche protectrice d'ozone (O3, absorption des UV), formations ferriques rubanées, apparition du métabolisme aérobie. Aujourd'hui : 21 % d'oxygène dans l'atmosphère.

Que sont les formations ferriques rubanées ?

Fe2O3, oxyde ferrique. Formations sédimentaires marines.

L'oxydation du fer est due au dégagement d'oxygène par les cyanobactéries : ce sont les témoins de la « grande oxydation ». Visible dans les roches : les bandes orange sont le Fe2O3. Exemple daté de -2,1 milliards d'années (Michigan, USA).

Qu'est-ce qu'un microfossile ?

Forme fossilisée de vie microscopique (1 à 2 microns), apparaissant unicellulaire. Exemple : microfossiles de 3,2 milliards d'années provenant d'Afrique du Sud.

Quel débat accompagne toute découverte de vie primitive ?

Simple pierre de forme bizarre, ou véritable fossile ?

Que sont les stromatolithes et pourquoi sont-ils de bonnes preuves de formes de vie anciennes ?

Matériaux précipités fixés par des colonies de micro-organismes (cyanobactéries), en couches alternées : couche de bactéries, couche de calcaire, etc., avec des filaments de bactéries accrochés les uns aux autres. Exemples : Pilbara et Hamelin Pool (Australie), 3,5 Ga ; autre exemple à -2,7 Ga. De tels organismes existent encore actuellement, ce qui facilite l'identification.

Qu'apportent les formes filamenteuses dans des sédiments siliceux comme preuve ?

Photographies de lames minces taillées dans des sédiments siliceux de 3,5 milliards d'années (Pilbara, Australie). Ces fossiles ont la taille et la morphologie des cyanobactéries actuelles.

Définition des protéinoïdes ? Origine ?

les protéinoïdes sont des polymères d’acides aminés analogues à des protéines qui, contrairement aux protéines, ne sont pas formés par biosynthèse, mais par des réactions de condensation en dehors d’organismes vivants. Autrement dit, le protéinoïde n'existe pas dans le vivan. Ce sont des structures qu’on peut obtenir en laboratoire, et ils ont très probablement existé sur la Terre primitive.