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6 : Alimenter et construire des cellules - Biologie


Chapitre 6 BSC 3271 Résultats d'apprentissage

(certains sont repris du chapitre 5)

  • Identifier les deux types de processus métaboliques par lesquels les chimiohétérotrophes obtiennent de l'énergie
  • Expliquez pourquoi un accepteur d'électrons terminal est nécessaire pour les processus métaboliques générateurs d'énergie (respiration ou fermentation).
  • Distinguer les deux mécanismes (phosphorylation __________ et phosphorylation _____________) par lesquels l'ATP est formé dans les cellules
  • Différencier fermentation et respiration en se basant sur les questions suivantes :
    • Est-ce toujours, parfois ou jamais un processus anaérobie ?
    • Par quel mécanisme l'ATP est-il formé (niveau substrat, oxydant) ?
    • L'accepteur terminal d'électrons est-il toujours, parfois ou jamais organique ?
    • L'accepteur terminal d'électrons est-il toujours, parfois ou jamais inorganique ?
    • L'accepteur d'électrons terminal est-il généré à l'intérieur de la cellule ou obtenu à partir de l'environnement extérieur ?
    • Une chaîne de transport d'électrons est-elle utilisée pour générer de l'énergie ?
  • Comparez la quantité d'ATP produite à partir du glucose par la respiration aérobie, la respiration anaérobie et la fermentation (voir tableau 5.4) (la plupart, entre les deux ou le moins ; ne vous inquiétez pas des nombres exacts).
  • Étant donné une voie métabolique, déterminez s'il s'agit d'une voie de fermentation utilisable en fonction de 1) produit-elle un gain net d'ATP et 2) est-ce que tous les NADH sont réoxydés en NAD+.
  • S'il s'agit d'un processus métabolique générateur d'énergie (soit décrit, soit dans une figure), déterminez s'il s'agit d'une fermentation, d'une respiration aérobie ou d'une respiration anaérobie.
  • Esquissez les processus de fermentation lactique et de respiration (général, y compris la localisation cellulaire).
  • Identifiez les produits courants des fermentations bactériennes, y compris le type de molécule toujours produite dans les fermentations bactériennes.
  • Expliquez comment l'oxydation/réduction des porteurs d'électrons peut être liée au pompage de protons à travers une membrane.
  • Expliquez d'où viennent les électrons de la chaîne de transport d'électrons dans un organisme utilisant le glucose comme source d'énergie et sur quelle molécule ces électrons sont transportés. Considérez à la fois la source chimique d'origine des électrons et les voies métaboliques qui récoltent ces électrons.
  • Définissez la force motrice des protons et expliquez pourquoi elle est nécessaire à la synthèse d'ATP par la respiration.
  • Décrire la génération d'ATP par l'ATP synthase (phosphorylation oxydative).
  • Identifiez la principale différence entre la respiration aérobie et anaérobie.
  • Décrire comment les métabolites de la glycolyse et le cycle de Krebs (TCA) peuvent être utilisés par la cellule à des fins autres que la production d'énergie
  • Décrire la biosynthèse des acides aminés par amination et transamination
  • Expliquez la fixation de l'azote, en quoi elle diffère de la façon dont la plupart des organismes obtiennent de l'azote pour leurs cellules et à quels domaines des organismes la fixation de l'azote est limitée.
  • Donnez un exemple de fixateur d'azote et expliquez son rôle direct dans la production alimentaire.

Comme nous l'avons vu au chapitre 4, tous les organismes ont besoin à la fois de carbone (le principal matériau de construction de la cellule) et d'énergie (pour construire les structures de la cellule et remplir d'autres fonctions métaboliques). Bien que les microbes puissent utiliser soit du carbone organique (hétérotrophes), soit du dioxyde de carbone (autotrophes) pour le carbone et la lumière (phototrophes) ou de l'énergie chimique (chimiotrophes), tous les agents pathogènes sont des chimiohétérotrophes. L'hôte qu'ils infectent est leur source à la fois de carbone et d'énergie. La plupart des microbes utilisés pour la production alimentaire sont également des chimiohétérotrophes. Par conséquent, nous nous concentrerons sur la façon dont les chimiohétérotrophes alimentent et construisent leurs cellules.

Les chimiohétérotrophes peuvent générer de l'ATP à partir de molécules organiques en utilisant deux mécanismes différents : la respiration et la fermentation. Dans les deux mécanismes, les électrons stockés sur NADH dans les réactions métaboliques du métabolisme central sont "déversés" sur un accepteur d'électrons final, régénérant ainsi le NAD+ pour être réutilisé dans le métabolisme central. Dans la respiration, le transfert d'électrons du NADH à l'accepteur d'électrons final (obtenu à partir de l'environnement) se produit via une chaîne de transport d'électrons (ETC). L'ETC crée simultanément un gradient de protons qui est utilisé par l'ATP synthase pour générer de l'ATP par phosphorylation oxydative. Dans la fermentation, cependant, le transfert d'électrons de NADH à l'accepteur d'électrons final (un métabolite formé dans la cellule) ne génère pas d'ATP en plus de celui déjà produit par la phosphorylation au niveau du substrat.

Les métabolites précurseurs générés par le métabolisme central sont utilisés pour construire les molécules importantes (et éventuellement les structures) de la cellule dans les voies anaboliques. Parfois, des macronutriments supplémentaires sont nécessaires pour construire les molécules de la cellule, que les cellules acquièrent de diverses manières. Par exemple, les acides aminés nécessitent de l'azote pour leur groupe amino. Bien qu'il existe des centaines de voies anaboliques critiques dans les cellules, l'acquisition d'azote et la synthèse d'acides aminés seront utilisées comme exemple d'anabolisme chez les bactéries.

  • 6.1 : Respiration
    La respiration commence lorsque des électrons sont transférés d'un donneur d'électrons par une série de réactions chimiques à un accepteur d'électrons inorganique final obtenu à partir de l'environnement (soit de l'oxygène dans la respiration aérobie, soit des molécules inorganiques non oxygénées dans la respiration anaérobie). Chez les chimiohétérotrophes, les donneurs d'électrons sont NADH et FADH2 qui transportent les électrons de la glycolyse et du cycle du TCA, mais chez les chimioautotrophes, le donneur d'électrons est une autre source d'énergie chimique telle que le sulfure d'hydrogène.
  • 6.2 : Fermentation
    La fermentation utilise une molécule organique comme accepteur d'électrons final pour régénérer le NAD+ à partir du NADH afin que la glycolyse puisse se poursuivre. La fermentation n'implique pas de système de transport d'électrons et aucun ATP n'est produit directement par le processus de fermentation. Les fermenteurs produisent très peu d'ATP - seulement deux molécules d'ATP par molécule de glucose pendant la glycolyse. Des procédés de fermentation microbienne ont été utilisés pour la production d'aliments et de produits pharmaceutiques, et pour l'identification de microbes.
  • 6.3 : Catabolisme des lipides et des protéines
    Collectivement, les microbes ont la capacité de dégrader une grande variété de sources de carbone en plus des glucides, y compris les lipides et les protéines. Les voies cataboliques de toutes ces molécules finissent par se connecter à la glycolyse et au cycle de Krebs. Plusieurs types de lipides peuvent être dégradés de manière microbienne. Les triglycérides sont dégradés par les lipases extracellulaires, libérant les acides gras du squelette du glycérol. Les phospholipides sont dégradés par les phospholipases, libérant des acides gras et des groupes de tête phosphorylés.
  • 6.4 : La photosynthèse et l'importance de la lumière
    Les organismes hétérotrophes allant de E. coli aux humains dépendent de l'énergie chimique trouvée principalement dans les molécules de glucides. Beaucoup de ces glucides sont produits par photosynthèse, le processus biochimique par lequel les organismes phototrophes convertissent l'énergie solaire (lumière du soleil) en énergie chimique. Bien que la photosynthèse soit le plus souvent associée aux plantes, la photosynthèse microbienne est également un important fournisseur d'énergie chimique, alimentant de nombreux écosystèmes divers.
  • 6.5 : Cycles biogéochimiques
    L'énergie circule de manière directionnelle à travers les écosystèmes, entrant sous forme de lumière solaire pour les phototrophes ou de molécules inorganiques pour les chimioautotrophes. Les six éléments les plus courants associés aux molécules organiques (carbone, hydrogène, azote, oxygène, phosphore et soufre) prennent diverses formes chimiques et peuvent exister pendant de longues périodes dans l'atmosphère, sur terre, dans l'eau ou sous la surface de la terre.
  • 6.6 : Anabolisme

Vignette : "Faire des cornichons traditionnellement fermentés" de Chiot's Run est sous licence CC BY-NC 2.0


6 : Alimenter et construire des cellules - Biologie

Nos rédacteurs examineront ce que vous avez soumis et détermineront s'il faut réviser l'article.

cellule, en biologie, l'unité de base liée à la membrane qui contient les molécules fondamentales de la vie et dont tous les êtres vivants sont composés. Une seule cellule est souvent un organisme complet en soi, comme une bactérie ou une levure. D'autres cellules acquièrent des fonctions spécialisées à mesure qu'elles mûrissent. Ces cellules coopèrent avec d'autres cellules spécialisées et deviennent les éléments constitutifs de grands organismes multicellulaires, tels que les humains et d'autres animaux. Bien que les cellules soient beaucoup plus grandes que les atomes, elles sont toujours très petites. Les plus petites cellules connues sont un groupe de minuscules bactéries appelées mycoplasmes. Certains de ces organismes unicellulaires sont des sphères aussi petites que 0,2 m de diamètre (1 m = environ 0,000039 pouce), avec une masse totale de 10 -14 grammes, égale à celle de 8 000 000 000 d'atomes d'hydrogène. Les cellules humaines ont généralement une masse 400 000 fois plus grande que la masse d'une seule bactérie mycoplasmique, mais même les cellules humaines ne mesurent qu'environ 20 µm de diamètre. Il faudrait une feuille d'environ 10 000 cellules humaines pour couvrir la tête d'une épingle, et chaque organisme humain est composé de plus de 30 000 000 000 000 de cellules.

Qu'est-ce qu'une cellule ?

Une cellule est une masse de cytoplasme qui est liée extérieurement par une membrane cellulaire. Généralement de taille microscopique, les cellules sont les plus petites unités structurelles de la matière vivante et composent tous les êtres vivants. La plupart des cellules ont un ou plusieurs noyaux et autres organites qui effectuent diverses tâches. Certaines cellules individuelles sont des organismes complets, comme une bactérie ou une levure. D'autres sont des éléments constitutifs spécialisés d'organismes multicellulaires, tels que les plantes et les animaux.

Qu'est-ce que la théorie cellulaire ?

La théorie cellulaire affirme que la cellule est l'unité structurelle et fonctionnelle fondamentale de la matière vivante. En 1839, le physiologiste allemand Theodor Schwann et le botaniste allemand Matthias Schleiden ont promulgué que les cellules sont les «particules élémentaires des organismes» chez les plantes et les animaux et ont reconnu que certains organismes sont unicellulaires et d'autres multicellulaires. Cette théorie a marqué une grande avancée conceptuelle en biologie et a entraîné un regain d'attention pour les processus vivants qui se déroulent dans les cellules.

A quoi servent les membranes cellulaires ?

La membrane cellulaire entoure chaque cellule vivante et délimite la cellule du milieu environnant. Il sert de barrière pour garder le contenu de la cellule à l'intérieur et les substances indésirables à l'extérieur. Il fonctionne également comme une porte pour déplacer à la fois activement et passivement les nutriments essentiels dans la cellule et les déchets hors de celle-ci. Certaines protéines de la membrane cellulaire sont impliquées dans la communication de cellule à cellule et aident la cellule à réagir aux changements de son environnement.

Cet article traite de la cellule à la fois en tant qu'unité individuelle et en tant que partie contributive d'un organisme plus vaste. En tant qu'unité individuelle, la cellule est capable de métaboliser ses propres nutriments, de synthétiser de nombreux types de molécules, de fournir sa propre énergie et de se répliquer afin de produire les générations suivantes. Il peut être considéré comme un récipient fermé, à l'intérieur duquel d'innombrables réactions chimiques ont lieu simultanément. Ces réactions sont sous contrôle très précis afin qu'elles contribuent à la vie et à la procréation de la cellule. Dans un organisme multicellulaire, les cellules se spécialisent pour remplir différentes fonctions grâce au processus de différenciation. Pour ce faire, chaque cellule reste en communication constante avec ses voisines. Comme il reçoit des nutriments et expulse les déchets dans son environnement, il adhère et coopère avec d'autres cellules. Des assemblages coopératifs de cellules similaires forment des tissus, et une coopération entre les tissus forme à son tour des organes, qui remplissent les fonctions nécessaires pour maintenir la vie d'un organisme.

Un accent particulier est mis dans cet article sur les cellules animales, avec une discussion sur les processus de synthèse d'énergie et les composants extracellulaires propres aux plantes. (Pour une discussion détaillée de la biochimie des cellules végétales, voir photosynthèse. Pour un traitement complet des événements génétiques dans le noyau cellulaire, voir hérédité.)


Les biologistes créent des cellules avec 6 lettres d'ADN, au lieu de seulement 4

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Les cellules avec un alphabet génétique élargi pourraient potentiellement produire une gamme plus large de protéines. Image : Synthorx

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L'une des premières choses que vous apprenez dans Biologie 101 est que le code génétique se compose de quatre lettres : A, T, C et G. Chacune représente une composante chimique de l'ADN, la molécule qui code les informations nécessaires pour construire la vie pendant que nous sachez le. Mais et si nous n'avions pas à nous contenter de quatre lettres ? Maintenant, les scientifiques ont accompli quelque chose que l'on croyait impossible : ils ont créé des cellules avec un alphabet génétique étendu qui comprend deux lettres supplémentaires.

"Nous avons maintenant une cellule qui survit et vit avec plus d'informations dans son génome", a déclaré Floyd Romesberg, le biologiste synthétique du Scripps Research Institute de La Jolla, en Californie, qui a dirigé les travaux.

Avoir plus de lettres avec lesquelles travailler ouvre potentiellement la porte à une vaste gamme de nouvelles molécules. (Une analogie approximative : pensez simplement au nombre de nouveaux mots fous que vous pourriez épeler avec 39 lettres au lieu des 26 habituelles). Avec des améliorations supplémentaires, les cellules synthétiques pourraient un jour être utilisées pour créer - ou faire évoluer - des protéines qui n'existent pas dans la nature, ainsi que de nouvelles séquences d'ADN et d'ARN, dont chacune pourrait être utile pour la recherche, le diagnostic de maladies, ou créer de nouvelles thérapies. Mais c'est encore loin.

Romesberg dit que son laboratoire a passé 15 ans à développer de l'ADN avec deux lettres supplémentaires. En termes chimiques, les lettres sont des nucléotides, les composants de l'ADN dont les séquences énoncent les instructions pour la fabrication des protéines. Les cellules, vous vous en souvenez peut-être, fabriquent des protéines en transcrivant l'ADN en ARN et en utilisant l'ARN comme modèle pour enchaîner les acides aminés en protéines. Les cellules doivent également copier leur ADN chaque fois qu'elles se divisent pour produire plus de cellules. Le plus grand défi, dit Romesberg, était de s'assurer que les deux nouveaux nucléotides jouaient bien avec les enzymes qui effectuent toutes ces copies et transcriptions.

En 2012, les scientifiques ont signalé une percée : ils ont montré que l'ADN de six lettres qu'ils avaient créé pouvait être copié avec succès et transcrit en ARN dans des expériences en éprouvette.

. Image : Centre de base de données pour les sciences de la vie (DBCLS)

Mais l'ADN à six lettres pourrait-il réellement fonctionner dans l'environnement beaucoup plus complexe et chaotique d'une cellule vivante ?

La nouvelle étude suggère que oui. Romesberg et ses collègues ont réussi à amadouer E. coli bactéries à prendre leur ADN de six lettres et à en faire des copies. Les enzymes des cellules ont copié les deux nouvelles lettres, que les scientifiques appellent X et Y en abrégé (à ne pas confondre avec les chromosomes X et Y qui différencient les garçons des filles), ainsi que les quatre habituelles. Les cellules se sont développées un peu plus lentement que la normale, mais ne semblaient pas autrement plus résistantes à l'usure, rapporte l'équipe aujourd'hui dans La nature.

Le travail est une réalisation majeure, déclare Steven Benner, biologiste synthétique à la Foundation for Applied Molecular Evolution à Gainesville, en Floride. Il dit que c'est la première fois que quelqu'un montre que les cellules vivantes peuvent répliquer l'ADN "quotalien" construit à partir de parties autres que les quatre lettres présentes dans la nature.

Les prochaines étapes, selon Romesberg, consisteront à déterminer si les cellules peuvent également transcrire les paires de bases non naturelles en ARN et, finalement, les utiliser pour fabriquer des protéines. Avec un alphabet génétique plus important, les cellules pourraient potentiellement coder des acides aminés synthétiques introuvables dans la nature et fabriquer de nouvelles protéines qu'il serait difficile, voire impossible, de synthétiser directement.

Il devrait également être possible de transformer des cellules synthétiques en protéines évolutives ou d'autres molécules optimisées pour diverses tâches biologiques, explique Romesberg. Il a créé une entreprise, Synthorx, pour explorer ces possibilités.

Selon Benner, cependant, le potentiel commercial pourrait être limité par le coût de fabrication des précurseurs moléculaires des nucléotides X et Y, qui doivent être ajoutés au liquide baignant les cellules bactériennes dans la configuration de Romesberg. Pour cette raison, Benner travaille sur une stratégie différente : essayer de réorganiser le métabolisme des cellules pour synthétiser les précurseurs par elles-mêmes. Mais cette approche a ses propres défis. C'est un "problème horriblement difficile", a déclaré Benner. Jusqu'à présent, son équipe a conçu cinq des six enzymes nécessaires, dit-il. "Mais le dernier est une douleur dans le cou."

Romesberg insiste sur le fait que le coût ne sera pas prohibitif. De plus, dit-il, l'exigence de continuer à nourrir les précurseurs X et Y de la bactérie est en fait une garantie importante : si certains des insectes s'échappent du laboratoire, ils reviendront rapidement à la fabrication d'ADN naturel à quatre lettres.

Sur ce point, Benner est d'accord. "Le public demande toujours, allez-vous créer un monstre qui va s'échapper et conquérir le monde", a-t-il déclaré. Benner pense que ces craintes sont exagérées, surtout dans ce cas. " S'il sort du labo, il ne va pas descendre au zoo de San Diego et commencer à manger les pingouins."


Attachez ensemble

Prouver que quelque chose est une attache n'est pas toujours simple. C'est parce que plusieurs protéines d'attache maintiennent souvent deux organites ensemble et, comme avec une tour de blocs Jenga, en retirer une pourrait ne pas provoquer l'effondrement de la structure.

Scott Emr, un biologiste de la levure à l'Université Cornell à Ithaca, New York, a rencontré cela lorsqu'il a commencé à étudier les sites de contact entre le RE et la membrane plasmique. Son groupe a finalement identifié six composants d'attache, dont n'importe lequel pourrait correctement maintenir l'attache ensemble 4 . Son équipe n'a pu perturber le lien qu'en éliminant les six protéines.

La quête pour identifier les attaches est également compliquée par le réseau élaboré d'interactions entre les organites. Au début, toutes les interactions semblaient impliquer le service d'urgence. Mais les scientifiques ont commencé à documenter d'autres couplages. Et ils se sont vite rendu compte que les cellules peuvent rediriger le transport lorsque les voies de navigation directe sont bloquées.

C'est ce que des équipes dirigées par Schuldiner et Christian Ungermann à l'Université d'Osnabrück, en Allemagne, ont découvert indépendamment en 2014. Après avoir éliminé l'attache habituelle entre le RE et les mitochondries chez la levure, les deux groupes ont découvert 5, 6 que les lipides pouvaient encore voyager en relais. -comme la mode entre les deux organites à travers un canal arrière - la vacuole. Ce sac rempli de liquide sert de casier de stockage de la cellule pour la nourriture et d'autres nutriments.

D'autres études ont révélé des arrangements de connexions encore plus complexes. La biologiste mitochondriale Jodi Nunnari de l'Université de Californie à Davis, et sa collègue de l'époque, la biologiste cellulaire Laura Lackner, ont classé 7 une zone de super-contact contenant au moins deux attaches et trois organites – le RE, les mitochondries et la membrane plasmique. "Il semble vraiment que ce soit une sorte de hub fonctionnel que la cellule a créé", explique Lackner, maintenant à l'Université Northwestern à Evanston, Illinois. "Cela apporte une toute autre couche d'organisation spatiale."


Alimenter la biologie extrême du colibri

Ils volent de fleur en fleur, aspirant tout le nectar et les petits insectes qu'ils peuvent trouver. Leurs corps aérodynamiques semblent planer dans les airs et le bourdonnement rapide de leurs ailes - jusqu'à 80 battements par seconde - crée un vague flou. C'est l'automne sur la côte est, et le colibri à gorge rubis se prépare à suivre le temps chaud à travers le golfe du Mexique, parcourant des centaines de kilomètres sans s'arrêter pour se nourrir.

Pour maintenir le rythme effréné de leur vol, ils ont besoin de l'équivalent humain de plus de 150 000 calories par jour. Pour survivre à leur migration, les oiseaux prennent rapidement du poids, allant jusqu'à le doubler en quelques jours.

Ils avalent tellement de sucre que leur taux de sucre dans le sang est suffisamment élevé pour tuer ou blesser gravement un humain. Une grande partie du sucre va directement à leurs muscles pour alimenter le bourdonnement constant de leurs ailes et leur rythme cardiaque rapide, qui peut atteindre jusqu'à 1 200 battements par minute. D'autres sucres se retrouvent dans le foie où des enzymes suralimentées les transforment en graisse qui alimente la migration des oiseaux. Dès qu'ils décollent, ils brûlent rapidement ces réserves de graisse, à des vitesses qui font honte aux capacités des humains.

Pourtant, compte tenu de la frénésie de sucre massive de l'oiseau et de sa prise et de sa perte de poids rapides, il ne semble pas y avoir d'inconvénients biologiques. Les caractéristiques du diabète humain à un stade avancé – insuffisance rénale, cécité et accident vasculaire cérébral – semblent complètement absentes.

« Les colibris ont résolu deux des problèmes auxquels les humains sont confrontés : l'obésité et le diabète », déclare G. William Wong, Ph.D., chercheur en métabolisme chez Johns Hopkins Medicine.

Découvrir ce qui rend le métabolisme du colibri si extraordinaire pourrait donner un aperçu de ce qui ne va pas dans les maladies métaboliques humaines et peut-être même de nouvelles façons de les combattre.

"Je suis un bon garçon américain à l'ancienne - j'aime mon pain blanc et mes Twinkies, mais le sucre n'est pas bon pour les humains", déclare Winston Timp, Ph.D., chercheur en génie biomédical chez Johns Hopkins. « Mais le sucre est bon pour les colibris. Et nous devons comprendre pourquoi c'est si bon pour eux, afin que nous puissions comprendre pourquoi c'est si mauvais pour nous.

Wong est tombé sur cette question lorsqu'il a lu une série d'articles des années 1980 du laboratoire du chercheur de l'Université de la Colombie-Britannique Peter Hochachka, Ph.D.

Les travaux de Hochachka suggèrent que le mécanisme probable derrière le métabolisme extraordinaire du colibri est lié aux protéines de son foie et de ses muscles, qui transforment les sources de carburant telles que les sucres et les graisses en énergie. Ces protéines, appelées enzymes, semblent être suralimentées chez le colibri et capables de décomposer les sucres et les graisses avec une efficacité éclipsant celle de la plupart des autres vertébrés.

Les papiers ont éveillé la curiosité de Wong. Comment et pourquoi ces enzymes sont-elles si efficaces ? Qu'est-ce qui les rend si efficaces dans leur chimie et leur structure ?

Alimenter la biologie extrême du colibri

Les colibris brûlent une quantité massive d'énergie chaque jour afin de maintenir leur battement d'aile rapide pouvant atteindre 60 à 80 battements par seconde. Ils ont besoin de manger presque constamment, en maintenant une glycémie suffisamment élevée pour provoquer une maladie grave chez l'homme. Pour traiter ce volume élevé de sucre, les colibris ont développé un métabolisme 77 fois plus rapide que celui d'un humain, rendu possible par des enzymes hyper efficaces. Les scientifiques de Johns Hopkins, dans le cadre d'une collaboration internationale, ont séquencé le code génétique du foie du colibri, où vivent bon nombre de ces enzymes. La prochaine étape de leur projet consiste à utiliser les informations génétiques pour étudier le fonctionnement de ces enzymes. Les chercheurs espèrent que leurs travaux pourraient donner un aperçu de ce qui ne va pas dans le diabète et l'obésité humains, en montrant comment l'évolution des colibris les a résolus.

Pour démêler ces questions, il avait besoin des plans de construction de ces enzymes : le code génétique du colibri. À l'époque, seuls deux gènes isolés du colibri avaient été séquencés. Ainsi, la recherche a essentiellement commencé à partir de zéro.

Wong a constitué une équipe pour s'attaquer à ce problème de séquençage, en recrutant Timp, un ami de longue date dont le laboratoire se spécialise dans les technologies de séquençage génétique, et Kenneth Welch, Ph.D., un expert en colibris de l'Université de Toronto Scarborough. Le doctorat de Welch. conseiller avait étudié sous Hochachka.

Mais sans données préalables, il était difficile pour les scientifiques de convaincre les bailleurs de fonds d'investir dans le plan.

"C'est une question d'amorçage", explique Timp. "Vous devez déjà l'avoir résolu avant de pouvoir y arriver."

L'équipe a fait une pause lorsqu'elle a entendu parler d'un concours de Pacific Biosystems demandant des propositions de 200 mots pour séquencer le génome le plus intéressant. Le gagnant recevrait suffisamment de fournitures de laboratoire pour lancer le projet. Pensant qu'il n'y a rien de plus fascinant que le métabolisme du colibri, les chercheurs se sont appliqués à séquencer le foie du colibri, où se déroule une grande partie de l'action métabolique de l'oiseau.

Seulement ils parlaient du transcriptome, pas d'un génome.

Un transcriptome est fonctionnellement similaire à un génome, lorsqu'il s'agit d'analyser les données. Il décrit le code génétique. Cependant, le génome ne catalogue que les gènes d'un organisme, tandis que le transcriptome révèle à quelle fréquence ces gènes sont utilisés pour fabriquer des protéines.

Cela peut donner aux scientifiques un aperçu des protéines qui semblent être les plus répandues chez l'animal, servant d'indice sur celles qui pourraient être les plus importantes.

Les chercheurs ont reçu un appel de l'entreprise : ils étaient à égalité avec une autre équipe pour la première place.

"Ils ont essentiellement dit que nous étions uniques parce que nous examinions un transcriptome", explique Timp. Mais leur équipe n'a pas gagné.

Cependant, l'entreprise a décidé de leur fournir des fournitures de toute façon.

En février dernier, ils ont publié le premier article sur le projet, un transcriptome complet du foie de colibri à gorge rubis.

Dans l'article, les chercheurs ont comparé le transcriptome au code génétique d'autres animaux, y compris les humains, d'autres oiseaux et les alligators. Ils l'ont également comparé au génome d'un autre type de colibri complété par un groupe dirigé par des chercheurs de l'Université Duke.

En recherchant des différences dans la génétique des colibris par rapport à d'autres animaux, les chercheurs ont commencé à déchiffrer les changements évolutifs qui permettent au métabolisme des colibris de fonctionner avec une efficacité aussi élevée. L'intégration du génome du colibri de Duke dans leur comparaison les a également aidés à comprendre quelles différences génétiques sont probablement importantes et lesquelles sont probablement sans conséquence.

Les résultats suggèrent que de nombreux gènes des colibris impliqués dans la transformation des graisses sont spécialisés dans l'espèce. Cela soutient non seulement l'idée que le foie des colibris a évolué pour gérer les graisses de manière inhabituelle, mais pointe également vers des gènes et des protéines spécifiques sur lesquels les chercheurs peuvent se concentrer pour une enquête plus approfondie.

Ils ont également découvert que les colibris ont un composant manquant d'une protéine responsable de la navette du glucose dans les cellules, ce qui peut rendre la protéine moins efficace. Cela pourrait expliquer, en partie, pourquoi les colibris ont une glycémie extrêmement élevée par rapport aux humains - plus de sucre reste disponible pour une utilisation plutôt que stocké dans leurs cellules.

Tirant parti du transcriptome et de leur collaboration internationale, les chercheurs, dirigés par Welch, ont reçu une subvention de 1,6 million de dollars du Human Frontier Science Program – qui n'est ouvert qu'aux équipes de scientifiques de tous les continents et de toutes les disciplines – pour approfondir l'étude du métabolisme des colibris.

Avant de postuler pour la subvention, les chercheurs ont ajouté un autre membre à leur collaboration : Mikel Valle, Ph.D., du CIC bioGUNE, un centre de recherche biomédicale en Espagne. Son laboratoire possède la technologie et l'expertise nécessaires pour analyser les structures des enzymes du colibri, ce qui pourrait découvrir les propriétés physiques qui rendent les enzymes si efficaces.

Avec les fonds et la carte génétique pour faire avancer le projet, Wong prévoit de créer des versions synthétiques des enzymes à partir du code génétique. Ensuite, les chercheurs peuvent déterminer en quoi les enzymes du colibri sont structurellement et biochimiquement différentes des autres animaux en étudiant leurs propriétés et en apportant de petits ajustements aux codes génétiques des enzymes pour voir comment cela modifie ces propriétés.

Ils génèrent également des transcriptomes de colibris qui viennent de manger et de colibris à jeun. La comparaison pourrait montrer quelles protéines sont mobilisées chez le colibri pour manger et lesquelles sont utilisées lors de la combustion des graisses.

Le transcriptome ouvre de nombreuses nouvelles façons de poser et de répondre à des questions sur le métabolisme des colibris, dit Wong, et bien que les humains n'aient pas les mêmes enzymes métaboliques que les colibris, l'apprentissage de la biologie des oiseaux peut élargir notre compréhension du métabolisme et peut-être un jour apporter un nouvel éclairage. sur la maladie humaine.


Informations sur l'auteur

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Mukul Tewary et Nika Shakiba.

Affiliations

Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering (IBBME) et The Donnelly Centre for Cellular and Biomolecular Research (CCBR), Université de Toronto, Toronto, Ontario, Canada

Mukul Tewary, Nika Shakiba et Peter W. Zandstra

Programme collaboratif en biologie du développement, Université de Toronto, Toronto, Ontario, Canada

Mukul Tewary et Peter W. Zandstra

Laboratoires Michael Smith et École de génie biomédical, Université de la Colombie-Britannique, Vancouver, Colombie-Britannique, Canada

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Contributions

Les auteurs ont contribué de manière égale à tous les aspects de l'article.

Auteur correspondant


6 : Alimenter et construire des cellules - Biologie

À la fin de cette section, vous serez en mesure d'effectuer les opérations suivantes :

  • Expliquer les voies métaboliques et décrire les deux principaux types
  • Discuter du rôle des réactions chimiques dans le transfert d'énergie

Les scientifiques utilisent le terme bioénergétique pour discuter du concept de flux d'énergie ((Figure)) à travers les systèmes vivants, tels que les cellules. Les processus cellulaires tels que la construction et la décomposition de molécules complexes se produisent par le biais de réactions chimiques par étapes. Certaines de ces réactions chimiques sont spontanées et libèrent de l'énergie alors que d'autres nécessitent de l'énergie pour se dérouler. Tout comme les êtres vivants doivent continuellement consommer de la nourriture pour reconstituer ce qu'ils ont utilisé, les cellules doivent continuellement produire plus d'énergie pour reconstituer celle qu'utilisent les nombreuses réactions chimiques exigeantes en énergie qui se produisent constamment. Toutes les réactions chimiques qui se produisent à l'intérieur des cellules, y compris celles qui utilisent et libèrent de l'énergie, constituent le métabolisme de la cellule.

Figure 1. La plupart des formes de vie sur terre tirent leur énergie du soleil. Les plantes utilisent la photosynthèse pour capter la lumière du soleil, et les herbivores mangent ces plantes pour obtenir de l'énergie. Les carnivores mangent les herbivores et les décomposeurs digèrent les matières végétales et animales.

Le métabolisme des glucides

Le métabolisme du sucre (réactions chimiques) (un glucide simple) est un exemple classique des nombreux processus cellulaires qui utilisent et produisent de l'énergie. Les êtres vivants consomment du sucre comme principale source d'énergie, car les molécules de sucre ont une énergie considérable stockée dans leurs liaisons. L'équation suivante décrit la décomposition du glucose, un sucre simple :

Les glucides consommés ont leur origine dans les organismes photosynthétiques comme les plantes ((Figure)). Au cours de la photosynthèse, les plantes utilisent l'énergie de la lumière du soleil pour convertir le dioxyde de carbone (CO2) en molécules de sucre, comme le glucose (C6H12O6). Étant donné que ce processus implique la synthèse d'une molécule plus grosse et stockant de l'énergie, il nécessite un apport d'énergie pour se poursuivre. L'équation suivante (notez que c'est l'inverse de l'équation précédente) décrit la synthèse du glucose :

Au cours des réactions chimiques de photosynthèse, l'énergie se présente sous la forme d'une molécule à très haute énergie que les scientifiques appellent ATP, ou adénosine triphosphate. C'est la principale monnaie d'énergie de toutes les cellules. Tout comme le dollar est la monnaie que nous utilisons pour acheter des biens, les cellules utilisent des molécules d'ATP comme monnaie énergétique pour effectuer un travail immédiat. Le sucre (glucose) est stocké sous forme d'amidon ou de glycogène. Les polymères de stockage d'énergie comme ceux-ci se décomposent en glucose pour fournir des molécules d'ATP.

L'énergie solaire est nécessaire pour synthétiser une molécule de glucose lors des réactions de photosynthèse. Lors de la photosynthèse, l'énergie lumineuse du soleil se transforme initialement en énergie chimique qui se stocke temporairement dans les molécules porteuses d'énergie ATP et NADPH (nicotinamide adénine dinucléotide phosphate). La photosynthèse utilise plus tard l'énergie stockée dans l'ATP et le NADPH pour construire une molécule de glucose à partir de six molécules de CO2. Ce processus est analogue au petit-déjeuner le matin pour acquérir de l'énergie pour votre corps que vous pourrez utiliser plus tard dans la journée. Dans des conditions idéales, l'énergie de 18 molécules d'ATP est nécessaire pour synthétiser une molécule de glucose lors des réactions de photosynthèse. Les molécules de glucose peuvent également se combiner et se convertir en d'autres types de sucre. Lorsqu'un organisme consomme des sucres, les molécules de glucose finissent par se frayer un chemin dans la cellule vivante de chaque organisme. À l'intérieur de la cellule, chaque molécule de sucre se décompose par une série complexe de réactions chimiques. Le but de ces réactions est de récolter l'énergie stockée à l'intérieur des molécules de sucre. L'énergie récoltée produit des molécules d'ATP à haute énergie, qui effectuent un travail, alimentant de nombreuses réactions chimiques dans la cellule. The amount of energy needed to make one glucose molecule from six carbon dioxide molecules is 18 ATP molecules and 12 NADPH molecules (each one of which is energetically equivalent to three ATP molecules), or a total of 54 molecule equivalents required for synthesizing one glucose molecule. This process is a fundamental and efficient way for cells to generate the molecular energy that they require.

Figure 2. Plants, like this oak tree and acorn, use energy from sunlight to make sugar and other organic molecules. Both plants and animals (like this squirrel) use cellular respiration to derive energy from the organic molecules that plants originally produced. (credit “acorn”: modification of work by Noel Reynolds credit “squirrel”: modification of work by Dawn Huczek)

Voies métaboliques

Les processus de fabrication et de décomposition des molécules de sucre illustrent deux types de voies métaboliques. Une voie métabolique est une série de réactions biochimiques interconnectées qui convertissent une ou plusieurs molécules de substrat, étape par étape, à travers une série d'intermédiaires métaboliques, pour finalement aboutir à un ou plusieurs produits finaux. Dans le cas du métabolisme du sucre, la première voie métabolique synthétise le sucre à partir de molécules plus petites, et l'autre voie décompose le sucre en molécules plus petites. Scientists call these two opposite processes—the first requiring energy and the second producing energy—anabolic (building) and catabolic (breaking down) pathways, respectively. Consequently, building (anabolism) and degradation (catabolism) comprise metabolism.

Connexion Évolution

Cet arbre montre l'évolution des différentes branches de la vie. La dimension verticale est le temps. Les premières formes de vie, en bleu, utilisaient le métabolisme anaérobie pour obtenir de l'énergie de leur environnement.

Évolution des voies métaboliques

La complexité du métabolisme va au-delà de la simple compréhension des voies métaboliques. La complexité métabolique varie d'un organisme à l'autre. Photosynthesis is the primary pathway in which photosynthetic organisms like plants (planktonic algae perform the majority of global synthesis) harvest the sun’s energy and convert it into carbohydrates. The by-product of photosynthesis is oxygen, which some cells require to carry out cellular respiration. Pendant la respiration cellulaire, l'oxygène aide à la décomposition catabolique des composés carbonés, comme les glucides. Among the products are CO2 et ATP. De plus, certains eucaryotes effectuent des processus cataboliques sans oxygène (fermentation), c'est-à-dire qu'ils effectuent ou utilisent un métabolisme anaérobie.

Les organismes ont probablement développé un métabolisme anaérobie pour survivre (les organismes vivants sont apparus il y a environ 3,8 milliards d'années, lorsque l'atmosphère manquait d'oxygène). Despite the differences between organisms and the complexity of metabolism, researchers have found that all branches of life share some of the same metabolic pathways, suggesting that all organisms evolved from the same ancient common ancestor ((Figure)). Les preuves indiquent qu'au fil du temps, les voies ont divergé, ajoutant des enzymes spécialisées pour permettre aux organismes de mieux s'adapter à leur environnement, augmentant ainsi leurs chances de survie. Cependant, le principe sous-jacent reste que tous les organismes doivent récupérer l'énergie de leur environnement et la convertir en ATP pour effectuer des fonctions cellulaires.

Anabolic and Catabolic Pathways

Les voies anaboliques nécessitent un apport d'énergie pour synthétiser des molécules complexes à partir de molécules plus simples. Synthesizing sugar from CO2 is one example. Other examples are synthesizing large proteins from amino acid building blocks, and synthesizing new DNA strands from nucleic acid building blocks. These biosynthetic processes are critical to the cell’s life, take place constantly, and demand energy that ATP and other high-energy molecules like NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) and NADPH provide ((Figure)).

ATP is an important molecule for cells to have in sufficient supply at all times. The breakdown of sugars illustrates how a single glucose molecule can store enough energy to make a great deal of ATP, 36 to 38 molecules. This is a catabolic pathway. Catabolic pathways involve degrading (or breaking down) complex molecules into simpler ones. Molecular energy stored in complex molecule bonds release in catabolic pathways and harvest in such a way that it can produce ATP. Other energy-storing molecules, such as fats, also break down through similar catabolic reactions to release energy and make ATP ((Figure)).

It is important to know that metabolic pathway chemical reactions do not take place spontaneously. A protein called an enzyme facilitates or catalyzes each reaction step. Enzymes are important for catalyzing all types of biological reactions—those that require energy as well as those that release energy.

Figure 4. Anabolic pathways are those that require energy to synthesize larger molecules. Catabolic pathways are those that generate energy by breaking down larger molecules. Both types of pathways are required for maintaining the cell’s energy balance.

Résumé de la section

Les cellules remplissent les fonctions de la vie à travers diverses réactions chimiques. A cell’s metabolism refers to the chemical reactions that take place within it. There are metabolic reactions that involve breaking down complex chemicals into simpler ones, such as breaking down large macromolecules. Scientists refer to this process as catabolism, and we associate such reactions an energy release. On the other end of the spectrum, anabolism refers to metabolic processes that build complex molecules out of simpler ones, such as macromolecule synthesis. Anabolic processes require energy. Glucose synthesis and glucose breakdown are examples of anabolic and catabolic pathways, respectively.

Choix multiple

Energy is stored long-term in the bonds of _____ and used short-term to perform work from a(n) _____ molecule.

  1. ATP : glucose
  2. an anabolic molecule : catabolic molecule
  3. glucose : ATP
  4. a catabolic molecule : anabolic molecule

DNA replication involves unwinding two strands of parent DNA, copying each strand to synthesize complementary strands, and releasing the parent and daughter DNA. Which of the following accurately describes this process?

  1. This is an anabolic process.
  2. This is a catabolic process.
  3. This is both anabolic and catabolic.
  4. This is a metabolic process but is neither anabolic nor catabolic.

Réponse libre

Does physical exercise involve anabolic and/or catabolic processes? Give evidence for your answer.

Physical exercise involves both anabolic and catabolic processes. Body cells break down sugars to provide ATP to do the work necessary for exercise, such as muscle contractions. This is catabolism. Muscle cells also must repair muscle tissue damaged by exercise by building new muscle. This is anabolism.

Name two different cellular functions that require energy that parallel human energy-requiring functions.

Energy is required for cellular motion, through beating of cilia or flagella, as well as human motion, produced by muscle contraction. Cells also need energy to perform digestion, as humans require energy to digest food.


Restoring metabolism of myeloid cells reverses cognitive decline in ageing

Ageing is characterized by the development of persistent pro-inflammatory responses that contribute to atherosclerosis, metabolic syndrome, cancer and frailty 1-3 . The ageing brain is also vulnerable to inflammation, as demonstrated by the high prevalence of age-associated cognitive decline and Alzheimer's disease 4-6 . Systemically, circulating pro-inflammatory factors can promote cognitive decline 7,8 , and in the brain, microglia lose the ability to clear misfolded proteins that are associated with neurodegeneration 9,10 . However, the underlying mechanisms that initiate and sustain maladaptive inflammation with ageing are not well defined. Here we show that in ageing mice myeloid cell bioenergetics are suppressed in response to increased signalling by the lipid messenger prostaglandin E2 (PGE2), a major modulator of inflammation 11 . In ageing macrophages and microglia, PGE2 signalling through its EP2 receptor promotes the sequestration of glucose into glycogen, reducing glucose flux and mitochondrial respiration. This energy-deficient state, which drives maladaptive pro-inflammatory responses, is further augmented by a dependence of aged myeloid cells on glucose as a principal fuel source. In aged mice, inhibition of myeloid EP2 signalling rejuvenates cellular bioenergetics, systemic and brain inflammatory states, hippocampal synaptic plasticity and spatial memory. Moreover, blockade of peripheral myeloid EP2 signalling is sufficient to restore cognition in aged mice. Our study suggests that cognitive ageing is not a static or irrevocable condition but can be reversed by reprogramming myeloid glucose metabolism to restore youthful immune functions.


HBP and DNA damage

The connection between cancer metabolism and DNA damage is becoming increasingly clear [103]. O-GlcNAc is a well-known regulator of the cellular stress response and can directly regulate proteins involved in DNA damage and repair [104]. OGT can modify H2AX on S139 and negatively regulate DNA double-strand break-induced phosphorylation of H2AX, leading to decreased γH2AX formation on DNA damage sites (Fig. 4) [105]. A recent report shows that reducing OGT expression in breast cancer cells was associated with defects in double-stand break repair, reduced cell proliferation, and increased cell senescence in vivo [106]. Conversely, promoting O-GlcNAcylation by targeting OGA protected tumor xenografts from radiation, thus implicating O-GlcNAcylation as a key player in the DNA damage response in cancer cells and as a potential regulator of tumor radiosensitization.

A new emerging idea is that altered metabolic states may lead to replication stress and DNA damage, and contribute to cancer-causing mutations [103]. A provocative recent manuscript shows that culturing pancreatic cells under high glucose conditions leads to replication stress and increases KRAS G12D mutations [107]. Interestingly, high glucose treatment of pancreatic cells increased UDP-GlcNAc levels, and targeting OGT with RNA interference reduced glucose-mediated replication stress and the number of KRAS G12D -positive pancreatic cells. Mechanistically, these authors showed that elevated O-GlcNAcylation leads to decreased dNTP pools through O-GlcNAcylation of RRM1, a subunit of the ribonucleotide reductase (RNR). O-GlcNAcylation of RRM1 at T734 destabilizes the formation of functional RNR complex and contributes to DNA damage (Fig. 4). Thus, high glucose levels can increase HBP flux that may contribute to replication stress and possibly lead to cancer initiation in pancreatic cells. This is of potential clinical relevance as diabetic patients have an increased pancreatic cancer risk [108]. Further studies are needed to test whether over-activation of the HBP can lead to mutations and cancer development and progression.


Voir la vidéo: Introduction à la biologie cellulaire (Janvier 2022).