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La totalité des réactions chimiques d’un organisme, qui se produisent dans les cellules pour soutenir sa vie, est connue sous le nom de métabolisme. Le métabolisme est une propriété de la vie, résultant d’interactions ordonnées entre les molécules. Ces processus permettent aux organismes de croître, de se reproduire, de réagir à leur environnement et de maintenir leurs structures.
Le métabolisme se divise en deux types généraux de réactions: le catabolisme et l’anabolisme.
Définition du catabolisme
Schéma du catabolisme: réaction chimique qui décompose les molécules en molécules plus simples et permet d’extraire de l’énergie.
D’une manière générale, le catabolisme est l’ensemble des réactions chimiques qui décomposent les molécules. Il s’agit soit d’extraire de l’énergie, soit de produire des molécules simples qui en construisent d’autres.
Étymologiquement, catabolisme vient du grec καταβολή (katabolê) qui signifie « action de jeter en bas » ou « fondation », et du suffixe –isme (-ισμός, –ismós en grec), qui est utilisé pour former un nom qui correspond à un état ou à une qualité.
L’étymologie du mot renseigne donc sur sa fonction: le catabolisme « jette en bas » (décompose) les molécules, et il fonde (produit) des molécules simples.
Définition de l’anabolisme
Schéma de l’anabolisme: réaction chimique qui utilise des molécules simples et de l’énergie pour créer des molécules plus complexes.
L’anabolisme fait référence à toutes les réactionsmétaboliques qui construisent ou assemblent des molécules plus complexes à partir de molécules plus simples.
Étymologiquement, anabolisme vient du grec ἀναβολή (anábolê) qui signifie « lancement du bas vers le haut » et du suffixe –isme (-ισμός, –ismós en grec), qui est utilisé pour former un nom qui correspond à un état ou à une qualité.
L’étymologie du mot renseigne sur sa fonction créatrice: l’anabolisme « lance du bas vers le haut » (fait émerger, assemble) les molécules simples et en produit des plus complexes.
De l’intérêt de l’étymologie en mnémotechnique
Petit paragraphe nécessaire pour indiquer que l’étymologie peut être considérée comme une excellent moyen mnémotechnique ! En apprenant de quelles racines sont composés les mots et les concepts nous comprenons leur fonction et leur définition. C’est une excellente méthode pour retenir et un terreau fertile aux nouveaux apprentissages (de nombreux mots possèdent des racines étymologiques communes, ce qui simplifie leur compréhension même si il s’agit de la première fois que nous les lisons/entendons !).
Les processus du catabolisme et de l’anabolisme
Tous les processus anabolisants sont constructifs, utilisant des molécules de base au sein d’un organisme, qui créent alors des composés plus spécialisés et complexes.
L’anabolisme, est également connu sous le nom de biosynthèse, durant lequel un produit final est créé à partir d’un certain nombre de composants. Le processus nécessite l’ATP (Adénosine-TriphosPhate) comme forme d’énergie, convertissant l’énergie cinétique en énergie potentielle. Il est considéré comme un processus endergonique, c’est-à-dire une réaction non spontanée, qui nécessite de l’énergie.
Le processus consomme de l’énergie pour créer le produitfinal, comme les tissus et les organes. Ces molécules complexes sont nécessaires à l’organisme, comme moyen de croissance, de développement et de différenciation cellulaire. Les processus anabolisants n’utilisent pas d’oxygène.
Les processus cataboliques sont destructeurs. Des composés plus complexes sont décomposés et l’énergie est libérée sous forme d’ATP ou de chaleur – au lieu de consommer de l’énergie comme dans l’anabolisme.
L’énergie potentielle est convertie en énergie cinétique à partir des réserves du corps. Il en résulte la formation du cycle métabolique, par lequel le catabolisme décompose les molécules qui sont créées par anabolisme. Un organisme utilise alors souvent un grand nombre de ces molécules, qui sont utilisées à nouveau dans divers processus. Les processus cataboliquesutilisent de l’oxygène.
Au niveau cellulaire, l’anabolisme utilise des monomères pour former des polymères, ce qui entraîne la formation de molécules plus complexes. Un exemple courant est la synthèse d’acides aminés (le monomère) en protéines plus grandes et plus complexes (le polymère).
L’un des processus cataboliques les plus courants est la digestion, où les nutriments ingérés sont convertis en molécules plus simples, qu’un organisme peut ensuite utiliser pour d’autres processus.
Les processus cataboliques agissent pour décomposer de nombreux polysaccharides différents, tels que le glycogène, les amidons et la cellulose. Ceux-ci sont convertis en monosaccharides, dont le glucose, le fructose et le ribose, utilisés par les organismes comme forme d’énergie.
Les protéines qui sont créées par l’anabolisme, sont converties en acides aminés par catabolisme, pour d’autres processus anabolisants. Tous les acides nucléiques de l’ADN ou de l’ARN sont catabolisés en nucléotides plus petits, qui sont une composante du processus naturel de guérison et utilisés pour les besoins énergétiques.
Classification des organismes
Les organismes sont classés en fonction du type de catabolisme qu’ils utilisent :
Organotrophe : Organisme dont l’énergie provient de sources organiques.
Lithotrophe : Organisme dont l’énergie provient de substrats inorganiques.
Phototrophe : Organisme qui tire son énergie de la lumière du soleil.
Dans le cas de ce classement encore, l’étymologie est intéressante: le suffixe -trophe τροφή (trophê) qui signifie nourriture ou croissance et par extension qui qualifie la manière dont un sujet ce nourrit.
Les hormones
De nombreux processus métaboliques qui se produisent dans un organisme sont réguléspar les hormones. Les hormones sont des composés chimiques qui sont généralement classés comme des hormones anabolisantes ou cataboliques selon leur effet global.
Hormones anabolisantes
L’œstrogène ou estrogène est une hormone qui existe à la fois chez les femmes et les hommes. Il est principalement produit dans les ovaires et régule principalement les caractéristiquessexuellesféminines (comme les hanches et la croissance des seins), et il a également été constaté qu’il affecte la masse osseuse et la régulation du cyclemenstruel.
La testostérone est une hormone qui existe à la fois chez les hommes et les femmes. Il est principalement produit à l’intérieur des testicules et régule principalement les caractéristiques sexuellesmasculines (comme la voix et les poils du visage), renforce la masse osseuse et aide à construire et maintenir la masse musculaire.
L’hormone de croissance est une hormone qui est créée dans l’hypophyse. L’hormone de croissance stimule et régule ensuite la croissance de l’organisme au début de la vie. Après la maturité à l’âge adulte, elle régule également la réparation osseuse.
L’insuline. Les cellules bêtacréent cette hormone dans le pancréas. Elle régule la glycémie et son utilisation dans le sang. Le glucose est une source d’énergie primaire, mais il ne peut être traité sans insuline. Si le pancréas éprouve des difficultés ou est incapable de produire de l’insuline, il peutmener au diabète.
Des hormones cataboliques
Le glucagon est produit dans le pancréas par les cellules alpha. Le glucagon est responsable de la stimulation de la décomposition des réserves de glycogène en glucose. Le glycogène existe dans des réservoirs stockés dans le foie et lorsque l’organisme a besoin de plus d’énergie (comme l’exercice, des niveaux de stress élevés ou des combats), le glucagonstimule le catabolisme du glycogène, entraînant l’entrée du glucosedans le sang.
L’adrénaline. Aussi connue sous le nom d’épinéphrine, elle est créée dans les glandes surrénales. L’adrénaline joue un rôle fondamental dans une réactionphysiologique appelée combat ou fuite. Pendant la réponse physiologique, les bronchioles s’ouvrent et la fréquence cardiaque est accélérée pour une meilleure absorption de l’oxygène. Elle est également responsable de l’inondation du glucose dans l’organisme, fournissant ainsi une source rapide d’énergie.
Cortisol. Aussi appelée hormone du stress, elle est synthétisée dans les glandes surrénales. Lorsqu’un organisme éprouve de l’anxiété, un inconfort prolongé ou de la nervosité, le cortisol est libéré. Il en résulte une augmentation de la tension artérielle, une hausse du taux de sucre dans le sang et la suppression du système immunitaire.
La cytokine est une très petite hormone protéique qui régule les interactions et la communication entre les cellules du corps. Il y a une production constante de cytokines, qui sont aussi constamment décomposées, avec des acides aminés réutilisés par l’organisme. Les lymphokines et l’interleukine en sont un exemple courant : elles sont libérées après une réponseimmunitaire provoquée par l’invasion d’un corps étranger (bactéries, virus, tumeur ou champignon) ou après une blessure.
Processus cataboliques et anabolisants pendant l’exercice
Lepoids corporel d’un organisme est déterminé par le catabolisme et l’anabolisme.
La quantité d’énergie libérée par l’anabolisme, moins la quantité utilisée par le catabolisme, est égale à son poids total.
Tout excès d’énergie non brûlé par le catabolisme est stocké sous forme de glycogène ou de graisse dans les réserves du foie et des muscles. Bien qu’il s’agisse d’une explication simplifiée de l’interaction des deux processus, il est plus facile de comprendre comment certains exercices cataboliques et anabolisants se combinent pour déterminer le poids corporel.
Les processus anabolisants entraînent généralement une augmentation de la massemusculaire, comme l’isométrie ou l’haltérophilie. Cependant, tout autre exercice anaérobie, comme le sprint, l’entraînement par intervalles et d’autres activités à haute intensité, est également anabolisant. Au cours de ces activités, le corps dépense immédiatement de l’énergie, en éliminant l’acide lactique accumulé dans les muscles.
En réponse, la masse musculaire est augmentée en préparation de tout nouvel effort. Cela signifie que les processus cataboliques se traduisent par des muscles plus gros et plus forts, ainsi que par des os renforcés et des réserves de protéines accrues grâce à l’utilisation d’acides aminés, tous combinés pour augmenter le poids corporel.
Tout exercice aérobique est un processus catabolique. Il s’agit notamment de la natation, du jogging et du cyclisme, ainsi que d’autres exercices qui induisent une conversion de l’utilisation du glucose ou du glycogène comme source d’énergie à la combustion des graisses pour répondre à l’augmentation des besoins énergétiques.
Le temps est crucial dans l’incitation au catabolisme, car il doit d’abord brûler les réserves de glucose/glycogène. Bien que les deux soient essentiels à la réduction de la masse adipeuse, l’anabolisme et le catabolisme sont des processus métaboliques contrastés qui entraînent soit une augmentation, soit une diminution du poids corporel global. Une combinaison d’exercices cataboliques et anabolisants permet au corps d’atteindre et de maintenir un poids idéal.
Tableau comparatif entre le catabolisme et l’anabolisme
Catabolisme
Anabolisme
Définition
Processus métaboliques qui décomposent des molécules complexes et plus grosses en substances plus petites
Processus métaboliques qui décomposent des substances simples en molécules complexes
Énergie
Libère de l’énergie ATP
Énergie potentielle convertie en énergie cinétique
-Nécessite de l’énergie ATP
Énergie cinétique convertie en énergie potentielle
Type de réaction
Exergonique
Endergoniques
Hormones
Adrénaline, Glucagon, Cytokines, Cortisol
Oestrogène, Testostérone, Hormone de croissance, Insuline
Importance
Fournit de l’énergie pour l’anabolisme – Chauffe le corps
Permet la contraction musculaire
Favorise la croissance de nouvelles cellules
Favorise le stockage de l’énergie
Entretien des tissus corporels
Oxygène
Utilise l’oxygène
N’utilise pas l’oxygène
Effets sur l’exercice
Les exercices cataboliques sont habituellement aérobiques et sont bons pour brûler les calories et les graisses
Les exercices anabolisants, souvent de nature anaérobie, sont généralement des exercices de musculation.
Exemples
Respiration cellulaire
Digestion
Excrétion
Assimilation chez l’animal
Photosynthèse chez les plantes
Conclusion
Fonctionnement du métabolisme d’un organisme.
Ensemble, le catabolisme et l’anabolisme sont les deux composantes du métabolisme.
La principale différence fondamentale entre les deux processus réside dans les types de réaction impliqués dans chacun d’eux.
L’anabolisme utilise l’ATP comme forme d’énergie, convertissant l’énergie cinétique en énergie potentielle stockée dans le corps, ce qui augmente la masse corporelle. Il produit des processus endergoniques, qui sont anaérobies, qui se produisent pendant le processus de photosynthèse des plantes, ainsi que l’assimilation chez les animaux.
Le catabolismelibère de l’énergie, sous forme d’ATP ou de chaleur, transformant l’énergie potentielle stockée en énergie cinétique. Il brûle des moléculescomplexes et diminue la masse corporelle et produit des processus exergoniques, qui sont aérobies et se produisent pendant la respiration cellulaire, la digestion et l’excrétion.
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De nombreuses réactions chimiques et biologiques se produisent continuellement à l’intérieur et à l’extérieur du corps humain. Certaines d’entre elles sont spontanées et d’autres ne sont pas spontanées. Les réactionsspontanées sont appelées réactions exergoniques alors que les réactions non spontanées sont appelées réactions endergoniques.
Une réaction endergonique est une réaction chimique qui nécessite un apport d’énergie pour se réaliser. Endergonique vient du grec endo– (ἔνδον) qui veut dire dedans et ergo– (ἔργον) qui veut dire travail.
Cette étymologie permet de comprendre le concept: il s’agit d’une réaction qui nécessite l’aide d’un travail (donc de l’apport d’une énergie).
Schéma d’une réaction endergonique, réaction chimique non spontanée nécessitant un apport d’énergie. Mise en perspective avec l’énergie libre de Gibbs.
Fonctionnement d’une réaction endergonique
Il y a de nombreuses réactions dans la nature qui ne peuvent se produire que lorsqu’une quantité suffisante d’énergie provenant de l’environnement est fournie. A elles seules, ces réactions ne peuvent pas se produire car elles nécessitent une grande quantité d’énergie pour briser les liaisons chimiques.
L’énergie externe aide à briser ces liens. L’énergie libérée par la rupture des liaisons maintient alors la réaction en marche. Parfois, l’énergie libérée lors de la rupture des liaisons chimiques est trop faible pour soutenir la réaction. Dans ce cas, une énergie externe est nécessaire pour que la réaction se poursuive. De telles réactions sont appelées réactions endergoniques.
Dans la thermodynamique chimique, ces réactions sont également appelées réactions défavorables ou non spontanées. L’énergie libre de Gibbs est positive à température et pression constantes, ce qui signifie que plus d’énergie est absorbée plutôt que libérée.
Exemples de réactions endergoniques
Des exemples de réactions endergoniques comprennent la synthèse protéique, la pompe sodium – potassium sur la membrane cellulaire, la conduction nerveuse et la contraction musculaire ou encore la photosynthèse chez les plantes.
La synthèse des protéines est une réaction anabolique qui exige que de petites molécules d’acides aminés se rassemblent pour former une molécule de protéine. Elle implique beaucoup d’énergie pour former les liaisons peptidiques.
La pompe à potassiumsodique sur la membrane cellulaire s’occupe du pompage des ions sodium et du mouvement des ions potassium contre le gradient de concentration pour permettre la dépolarisation cellulaire et la conduction nerveuse. Ce mouvement contre le gradient de concentration nécessite beaucoup d’énergie qui provient de la dégradation de la molécule d’adénosine triphosphate (ATP).
La contraction musculaire ne peut se produire que lorsque les liaisonsexistantes entre l’actine et les fibres de myosine (protéines musculaires) se rompent pour former de nouvelles liaisons. Cela nécessite également une quantité énorme d’énergie qui provient de la décomposition de l’ATP. C’est pour cette raison que l’ATP est connue sous le nom de molécule d’énergie universelle.
La photosynthèse chez les plantes est un autre exemple de réaction endergonique. La feuille contient de l’eau et du glucose, mais elle ne peut pas produire sa propre nourriture si elle n’est pas exposée au soleil. Dans ce cas, la lumière du soleil est la source d’énergie externe.
La fonte de la glace nécessite une chaleur latente pour atteindre le point de fusion. Le processus pour atteindre le niveau de barrière d’énergie d’activation de l’état de transition est endergonique. Une fois l’étape de transition atteinte, la réaction peut se poursuivre et la fonte continuer.
Réactions exergoniques
Définition de la réaction exergonique
Une réaction exergonique est une réaction chimique spontanée dont le travail est fourni durant sa propre réalisation sans apport énergétique extérieur.
Exergonique vient du grec exo- (ἔξω) qui veut dire hors de et ergo- (ἔργον) qui veut dire travail.
Cette étymologie permet de comprendre le concept: il s’agit d’une réaction qui se déroule sans qu’on lui fournisse du travail (de l’énergie), sous une autre forme que de la chaleur. Cependant, la réaction exergonique peut produire de la chaleur (ex: fonctionnement d’une pile).
Schéma d’une réaction exergonique, réaction chimique spontanée ne nécessitant pas un apport d’énergie. Mise en perspective avec l’énergie libre de Gibbs.
Fonctionnement de la réaction exergonique
Ces réactions sont des réactions irréversibles qui surviennent spontanément dans la nature.
Par spontané, cela signifie que la réaction se produit avec très peu de stimuli externes.
Par exemple, la combustion du sodium lorsqu’il est exposé à l’oxygène présent dans l’atmosphère. La combustion d’une bûche est un autre exemple de réactions exergoniques.
De telles réactions libèrent plus de chaleur et sont appelées réactions favorables dans le domaine de la thermodynamique chimique.
L’énergie libre de Gibbs est négative à température et pression constantes, ce qui signifie que plus d’énergie est libérée plutôt qu‘absorbée. Ce sont des réactions irréversibles.
Exemples de réactions exergoniques
Comme nous l’avons exposé ci-dessus, de nombreux exemples de réactions exergoniques concernent la combustion (au contact de l’oxygène, par exemple), en voici quelques autres comme la respiration cellulaire ou les réactions cataboliques de décomposition.
La respirationcellulaire est un exemple classique de réaction exergonique. Environ 3012 kJ d’énergie sont libérés lorsqu’une molécule de glucose est convertie en dioxyde de carbone. Cette énergie est utilisée par les organismes pour d’autres activités cellulaires.
Toutes les réactions cataboliques, c’est-à-dire la décomposition d’une grosse molécule en molécules plus petites, sont des réactions exergoniques.
Par exemple, la décomposition des glucides, des lipides et des protéines alibéré de l’énergie pour que les organismes vivants puissent faire leur travail.
Réactions exergoniques à apport énergétique extérieur
Certaines réactions exergoniques ne se produisent pas spontanément et nécessitent un petit apport d’énergie pour déclencher la réaction. Cet apport d’énergie est appelé énergie d’activation. Une fois que le besoin en énergie d’activation est satisfait par une source extérieure, la réaction se rompt et forme de nouvelles liaisons et l’énergie est libérée au fur et à mesure que la réaction se déroule. Il en résulte un gain net d’énergie dans le système environnant et une perte nette d’énergie dans le système de réaction.
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La simple vue d’une double hélice évoque un concept fondamental : celui de l’ADN. L’acide désoxyribonucléique (ADN) est la molécule qui contient le plan de construction de tous les organismes vivants. Il porte les informations génétiques qui guident la croissance, le développement, le fonctionnement et la reproduction. C’est l’une des quatre grandes classes de macromolécules essentielles à la vie.
Chaque molécule d’ADN est composée de deux brins qui s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une célèbre double hélice. Ces brins sont des chaînes composées d’éléments plus simples appelés nucléotides. Il existe deux types d’ADN dans les cellules humaines : l’ADN nucléaire, que l’on trouve dans le noyau, et l’ADN mitochondrial, présent dans les mitochondries. Malgré leur rôle commun, ils présentent des différences fondamentales que nous allons explorer.
En bref : ADN mitochondrial vs. ADN nucléaire
L’ADN nucléaire est situé dans le noyau de la cellule, tandis que l’ADN mitochondrial se trouve dans les mitochondries.
L’ADN nucléaire a une structure linéaire et est hérité à la fois de la mère et du père.
L’ADN mitochondrial a une structure circulaire, une taille beaucoup plus petite et est hérité uniquement du côté maternel.
Le taux de mutation de l’ADN mitochondrial est plus élevé, ce qui en fait un outil clé pour retracer l’ascendance maternelle.
L’ADN nucléaire est principalement utilisé en médecine légale pour le profilage génétique en raison de son caractère unique à chaque individu.
Qu’est-ce que l’ADN ?
Chaque nucléotide individuel est composé de l’une des quatre nucléobases contenant de l’azote – Cytosine (C), Guanine (G), Adénine (A) ou Thymine (T) – avec un sucre appelé désoxyribose et un groupe phosphate.
Les nucléotides sont reliés entre eux par des liaisons covalentes, entre le phosphate d’un nucléotide et le sucre du suivant. Cela crée une chaîne, ce qui entraîne une alternance de l’épine dorsale sucre-phosphate. Les bases azotées des deux brins polynucléotidiques sont liées entre elles par des liaisons hydrogène, pour former un ADN double brin selon des paires de bases strictes (A est lié à T et C est lié à G).
Dans les cellules eucaryotes, l’ADN est organisé en structures appelées chromosomes, chaque cellule ayant 23 paires de chromosomes. Au cours de la division cellulaire, les chromosomes sont dupliqués par le processus de réplication de l’ADN, à condition que chaque cellule ait son propre ensemble complet de chromosomes. Les organismes eucaryotes tels que les animaux, les plantes et les champignons stockent la majorité de leur ADN dans le noyau cellulaire et une partie de leur ADN dans des organites comme les mitochondries.
Étant situé dans différentes régions de la cellule eucaryote, il existe un certain nombre de différences fondamentales entre l’ADN mitochondrial (ADNmt) et l’ADN nucléaire (ADNn). D’après les principales propriétés structurelles et fonctionnelles, ces différences influent sur la façon dont elles agissent au sein des organismes eucaryotes.
Organisation et différences structurelles de l’ADN mitochondrial et de l’ADN nucléaire
Localisation
Situé exclusivement dans les mitochondries, l’ADN mitochondrial contient 100 à 1000 copies par cellule somatique. L’ADN nucléaire est situé dans le noyau de chaque cellule eucaryote (à quelques exceptions près, comme les globules rouges) et ne possède généralement que deux copies par cellule somatique.
Structure
Les deux types d’ADN sont à double brin. Cependant, l’ADN nucléaire possède une structure linéaire et ouverte qui est entourée d’une membrane nucléaire. Ceci diffère de l’ADN mitochondrial qui a généralement une structure circulaire fermée et n’est enveloppé par aucune membrane.
Tailles des génomes
L’ADN mitochondrial et l’ADN nucléaire ont leurs propres génomes, mais ils sont de tailles très différentes. Chez l’homme, la taille du génome mitochondrial se compose d’un seul chromosome qui contient 16 569 paires de bases d’ADN. Le génome nucléaire est significativement plus grand que le génome mitochondrial, composé de 46 chromosomes qui contiennent 3,3 milliards de nucléotides.
Codage génétique
Le chromosome de l’ADN mitochondrial singulier est beaucoup plus court que les chromosomes nucléaires. Il contient 36 gènes qui codent pour 37 protéines, qui sont toutes des protéines spécifiques utilisées dans les processus métaboliques que les mitochondries entreprennent (comme le cycle acide du citrate, la synthèse de l’Adénosine triphosphate [ATP] et le métabolisme des acides gras).
Le génomenucléaire est beaucoup plus grand, avec 20 000 à 25 000 gènes codant pour toutes les protéines nécessaires à sa fonction, ce qui inclut également les gènes mitochondriaux. Étant des organites semi-autonomes, la mitochondrie ne peut pas coder pour toutes ses propres protéines. Cependant, ils peuvent encoder pour 22 ARNt et 2 ARNr, ce que l’ADN nucléaire n’a pas la capacité de faire.
Différences fonctionnelles
Processus de traduction
Le processus de traduction entre l’ADN nucléaire et l’ADN mitochondrial peut varier. L’ADN nucléaire suit le modèle de codon universel, mais ce n’est pas toujours le cas pour l’ADN mitochondrial. Certaines séquences codantes mitochondriales (codons triples) ne suivent pas le modèle universel des codons lorsqu’elles sont traduites en protéines. Par exemple, l’AUA code la méthionine dans la mitochondrie (pas l’isoleucine). L’UGA code également pour le tryptophane (pas un codon stop comme dans le génome des mammifères).
Processus de transcription
La transcription du gène dans l’ADN mitochondrial est polycistronique, ce qui signifie qu’un ARN mitochondrial est formé avec des séquences qui codent pour de nombreuses protéines. Imaginez un seul plan de montage pour plusieurs objets. Pour la transcription des gènes nucléaires, le processus est monocistronique : l’ARN formé a des séquences codant pour une seule protéine. C’est un plan de montage pour un seul objet à la fois.
Héritage du génome
L’ADN nucléaire est diploïde, c’est-à-dire qu’il hérite de l’ADN maternel et paternel (23 chromosomes de la mère et du père). Cependant, l’ADN mitochondrial est haploïde, le chromosome unique étant hérité du côté maternel et ne subissant pas de recombinaison génétique.
Taux de mutation
Comme l’ADN nucléaire subit une recombinaison génétique, (le mélange de l’ADN des parents) il est donc altéré pendant la transmission des parents à leur progéniture. Cependant, comme l’ADN mitochondrial n’est hérité que de la mère, il n’y a pas d’altération pendant la transmission, ce qui signifie que tout changement d’ADN provient de mutations. Le taux de mutation de l’ADN mitochondrial est beaucoup plus élevé que celui de l’ADN nucléaire qui est normalement inférieur à 0,3%.
Différences dans l’application scientifique de l’ADN mitochondrial et de l’ADN nucléaire
Les différentes propriétés structurelles et fonctionnelles de l’ADN mitochondrial et de l’ADN nucléaire ont conduit à des différences dans leurs applications scientifiques. Avec son taux de mutation significativement plus élevé, l’ADN mitochondrial a été utilisé comme un outil puissant pour suivre l’ascendance et la lignée des femmes (matrilinéarité). Des méthodes ont été mises au point pour retracer l’ascendance de nombreuses espèces depuis des centaines de générations et sont devenues le pilier de la phylogénétique et de la biologie de l’évolution.
Schéma de la transmission de l’ADN nucléaire et de l’ADN mitochondrial
Schéma de la transmission de l’ADN nucléaire et de l’ADN mitochondrial. À gauche, l’ADN nucléaire est transmis par les deux parents d’un individu (et par l’ensemble de ses ascendants). À droite, l’ADN mitochondrial est uniquement transmis par les mères. Cela signifie qu’un père ne transmet pas l’ADN mitochondrial qu’il a reçu de sa mère.
Utilisation de l’ADN mitochondrial pour déterminer la proximité ou la distance génétique entre deux individus
En raison du taux de mutation plus élevé, l’ADN mitochondrialévolue beaucoup plus rapidement que les marqueurs génétiques nucléaires. Il existe de nombreuses variations entre les codes utilisés par l’ADN mitochondrial qui résultent de mutations, dont beaucoup ne sont pas nocives pour leurs organismes. En utilisantce taux de mutation plus élevé et ces mutations non nuisibles, les scientifiquesdéterminent les séquences d’ADN mitochondrial et les comparent à partir de différents individus ou espèces.
Un réseau de relations entre ces séquences est ensuite construit qui fournit une estimation des relationsentre les individusou les espèces dont l’ADN mitochondrial a été prélevé. Cela donne une idée de la relation étroite et distante qui existe entre chacune d’elles – plus il y a de mutations de l’ADN mitochondrial qui sont identiques dans chacun de leurs génomes mitochondriaux, plus elles sont liées.
Utilisation de l’ADN pour établir un profil génétique
En raison du taux de mutation plus faible de l’ADN nucléaire, il a une application plus restreinte dans le domaine de la phylogénétique. Cependant, étant donné les instructions génétiques qu’il contient pour le développement de tous les organismes vivants, les scientifiques ont reconnu son utilisation en médecine légale.
Chaque personne a un plan génétique unique, même des jumeaux identiques. Les services médico-légaux sont en mesure d’utiliser des techniques d’amplification en chaîne par polymérase (PCR), en utilisant l’ADN nucléaire, pour comparer des échantillons dans un cas. Il s’agit d’utiliser de petites quantités d’ADN nucléaire pour faire des copies de régions ciblées appelées courtes répétitions en tandem sur la molécule. De ces séquences, on obtient un profil à partir d’éléments de preuve, qui peuvent ensuite être comparés à des échantillons connus prélevés sur les personnes impliquées dans l’affaire.
Utilisation de l’ADN mitochondrial pour déterminer une correspondance avec un parent vivant
L’ADN mitochondrial humain peut également être utilisé pour aider à identifier des individus à l’aide d’analyses médico-légales, mais contrairement à l’ADN nucléaire, il n’est pas spécifique à un individu mais peut être utilisé en combinaison avec d’autres preuves (telles que des preuves anthropologiques et circonstancielles) pour établir une identification.
Comme l’ADN mitochondrial possède un plus grand nombre de copies par cellule que l’ADN nucléaire, il permet d’identifier des échantillons biologiques beaucoup plus petits, endommagés ou dégradés. Le plus grand nombre de copies d’ADN mitochondrial par cellule que l’ADN nucléaire permet également d’obtenir une correspondance ADN avec un parent vivant, même si de nombreuses générations maternelles les séparent des restes osseux d’un parent.
Tableau comparatif entre l’ADN mitochondrial et l’ADN nucléaire
ADN mitochondrial
ADN nucléaire
Emplacement
Mitochondrie
Noyau cellulaire
Copies par cellule somatique
100 à 1000
2
Structure
Circulaire et fermée
Linéaire et ouverte
Membrane
Non enveloppé par une membrane
Entouré d’une membrane nucléaire
Taille du génome
1 chromosome avec 16 569 paires de bases
46 chromosomes avec 3,3 milliards de paires de bases
Nombre de gènes
37 gènes
20000 à 25000 gènes
Mode de transmission
Transmis par la mère
Transmis par la mère et par le père
Mode de traduction
Certains codons ne suivent pas le modèle de codon universel
Suit le modèle codon universel
Mode de transcription
Polycistronique
Monocistronique
Conclusion
L’ADN, qu’il soit nucléaire ou mitochondrial, est bien plus qu’une simple double hélice. C’est l’essence même de l’information génétique, mais avec des subtilités qui ont des conséquences majeures. L’ADN nucléaire, avec sa vaste taille et sa transmission mixte, est le garant de notre identité individuelle et le pilier de la médecine légale. L’ADN mitochondrial, plus petit, circulaire et transmis par la lignée maternelle, est quant à lui un outil précieux pour retracer l’histoire de notre espèce à travers les générations. Ensemble, ces deux types d’ADN nous offrent une compréhension complète et fascinante de l’héritage génétique et de ses applications, de la scène de crime à nos origines les plus lointaines.
FAQ : ADN mitochondrial et ADN nucléaire
Quelle est la différence fondamentale entre l’ADN nucléaire et l’ADN mitochondrial ?
L’ADN nucléaire est situé dans le noyau de la cellule, a une structure linéaire et est hérité des deux parents. L’ADN mitochondrial est situé dans les mitochondries, a une structure circulaire et n’est hérité que de la mère.
Comment l’ADN mitochondrial est-il transmis ?
L’ADN mitochondrial est transmis de manière matrilinéaire, c’est-à-dire exclusivement par la mère. C’est l’ovule de la mère qui fournit les mitochondries à l’embryon, tandis que le sperme du père n’apporte que l’ADN nucléaire.
Pourquoi le taux de mutation de l’ADN mitochondrial est-il plus élevé que celui de l’ADN nucléaire ?
Le taux de mutation de l’ADN mitochondrial est plus élevé, en partie car les mitochondries produisent de l’énergie et génèrent des radicaux libres qui peuvent endommager l’ADN. De plus, il existe moins de mécanismes de réparation de l’ADN dans les mitochondries.
À quoi sert l’ADN mitochondrial en biologie de l’évolution ?
Grâce à son taux de mutation élevé et à sa transmission purement maternelle, l’ADN mitochondrial est utilisé pour retracer les lignées maternelles, étudier les relations évolutives entre les espèces et dater des événements de migration des populations humaines.
Comment l’ADN nucléaire est-il utilisé en médecine légale ?
L’ADN nucléaire est unique à chaque individu (à l’exception des vrais jumeaux). En médecine légale, on utilise des techniques pour analyser des fragments d’ADN nucléaire afin de créer un profil génétique qui peut être comparé à des échantillons pour identifier une personne.
Quelle est la taille de l’ADN mitochondrial par rapport à l’ADN nucléaire ?
L’ADN mitochondrial est beaucoup plus petit. Le génome mitochondrial humain se compose d’un seul chromosome d’environ 16 569 paires de bases, alors que le génome nucléaire compte 46 chromosomes et environ 3,3 milliards de paires de bases.
Pourquoi y a-t-il plus de copies d’ADN mitochondrial que d’ADN nucléaire par cellule ?
Chaque cellule ne contient qu’un seul noyau avec un ensemble complet d’ADN nucléaire. Cependant, elle peut contenir des centaines, voire des milliers de mitochondries, chacune ayant ses propres copies d’ADN mitochondrial. C’est pourquoi l’ADNmt est si abondant.
Que signifie « ADN haploïde » et « ADN diploïde » ?
L’ADN nucléaire est diploïde car nous héritons un ensemble de chromosomes de notre mère et un autre de notre père (deux copies de chaque gène). L’ADN mitochondrial est haploïde car il n’est hérité que d’un seul parent, la mère, et ne subit pas de recombinaison génétique.
Comment est organisée la structure de l’ADN nucléaire ?
L’ADN nucléaire a une structure linéaire, organisée en 46 chromosomes distincts qui sont enfermés dans une membrane au sein du noyau cellulaire.
Comment est organisée la structure de l’ADN mitochondrial ?
L’ADN mitochondrial a une structure circulaire fermée. Il n’est pas enfermé dans un noyau, mais flotte librement à l’intérieur de la mitochondrie, un peu comme l’ADN des bactéries (ce qui soutient la théorie de l’endosymbiose).
L’ADN mitochondrial peut-il servir à identifier des individus ?
Il n’est pas utilisé pour une identification unique d’un individu (comme l’ADN nucléaire) car tous les membres d’une même lignée maternelle ont le même ADN mitochondrial. Il est cependant très utile en médecine légale pour identifier des restes humains dégradés en les comparant à un parent vivant via la lignée maternelle.
Qu’est-ce que le mode de transcription « polycistronique » de l’ADN mitochondrial ?
C’est un mode de transcription où une seule molécule d’ARN est formée avec des séquences qui codent pour plusieurs protéines. C’est comme une seule recette contenant les instructions pour plusieurs plats à la fois.
Qu’est-ce que le mode de transcription « monocistronique » de l’ADN nucléaire ?
C’est un mode de transcription où une molécule d’ARN est formée pour coder une seule et unique protéine. C’est un plan de construction pour un seul et unique objet à la fois.
Pourquoi dit-on que la mitochondrie est « semi-autonome » ?
La mitochondrie est considérée comme semi-autonome car elle possède son propre ADN pour fabriquer certaines de ses protéines. Cependant, elle ne peut pas produire toutes les protéines dont elle a besoin pour fonctionner et doit dépendre de l’ADN nucléaire pour le reste.
Le processus de traduction est-il le même pour les deux types d’ADN ?
Non. Alors que l’ADN nucléaire suit le code génétique universel, l’ADN mitochondrial utilise un code génétique légèrement différent. Par exemple, certains codons qui signalent un arrêt de la traduction dans le noyau codent pour un acide aminé spécifique dans la mitochondrie.
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Sparte, cité militaire et aristocratique
Sparte domine la Laconie, au Sud du Péloponnèse, c’est essentiellement une ville de soldats.
Peu nombreux, les spartiates se sont rapidement spécialisés dans le métier des armes. Ils vivent aux dépens des hilotes (réduits en esclavage) et des périèques (paysans libres mais sans droits politiques).
Le gouvernement de Sparte est aristocratique (du grec aristoï = les meilleurs) parce que seuls quelques citoyens détiennent réellement tout le pouvoir.
Organisé pour maintenir la suprématie d’une classe peu nombreuse, l’État exige de ses citoyens une vie austère. Il n’y a pas de liberté à Sparte, et les spartiates ne peuvent exercer aucune activité commerciale. Ils sont très tôt à la tête de la confédération du Péloponnèse.
Statue de Léonidas aux Thermopyles (la célèbre bataille entre Sparte et les soldats perses de Xerxès immortalisée dans le film « 300 »).
Les classes sociales
C’est à Lycurge, personnage légendaire érigé en un héros national que les spartiates attribuent leurs institutions. Elles tendent à maintenir l’égalité entre eux et en consolidant leur puissance militaire, à préparer leur hégémonie.
La population est divisée en trois classes de conditions différentes: spartiates, périèques et hilotes.
Les spartiates
Les spartiates seuls jouissaient à la fois des droits civils (c’est-à-dire les droits qui protègent tous les citoyens dans leurs rapports mutuels) et des droitspolitiques (c’est-à-dire le droit de participer à la vie politique d’une cité).
Il faut remplir trois conditions pour être considéré comme Spartiate :
Avoir des parents spartiates.
Posséder un lot de terres dont les revenus les dispensent de toute autre occupation que celle des armes et des affaires de la Cité.
Avoir reçu l’éducation spartiate.
Le Spartiate ne vit qu’à l’armée, toujours sur le pied de guerre pour écraser une révolte des populations asservies.
Les périèques
Les périèques sont les descendants des populationsvaincues par les Doriens, n’ont pas de droits politiques. Ils habitent les régions montagneuses.
Hommes libres, ils s’enrichissent par le commerce et l’industrie, font leur service militaire et payent des impôts.
Les hilotes
Les hilotes n’ont aucun droit politique et sont écartés des affaires de la cité. Ils n’ont pas de droits civils. Ils cultivent la terre comme des esclaves et peuvent être mis à mort sous n’importe quel prétexte.
Le gouvernement aristocratique
Schéma du fonctionnement politique de la Cité-État de Sparte en Grèce antique.
Le gouvernement de Sparte est aristocratique parce que seuls les citoyens, considérés comme les meilleurs d’entre eux, détiennent réellement le pouvoir.
Deux rois se surveillent l’un l’autre, règnent en même temps à Sparte. Ils détiennent plus de prestige que de puissance.
Les 28 gérontes qui composent la Gérousie, choisis à vie parmi les plus nobles âgés de plus de 60 ans, sont bien plus puissants. Ils président le tribunal suprême, forment un Conseil qui prépare les lois et qui prend toutes les mesures urgentes.
Les 5 éphores (magistrats surveillants), nommés pour un an, contrôlent la population, les rois et le sénat. Leur pouvoir était limité par leur responsabilité à leur sortie de charge.
Tous les citoyens de plus de 30 ans assistent debout à l’Apella: l’assemblée. Ils n’ont pas droit à la parole et peuvent accepter ou rejeter les lois. L’Apella élit les membres de la Gérousie à l’applaudimètre.
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Après avoir vu la naissance de la Cité-État, intéressons-nous à Athènes et à la manière dont cette Cité a dominé la Grèce antique pendant des siècles, des guerres médiques à l’hégémonie athénienne.
Les guerres médiques sont les guerres que les Grecs ont soutenues contre les rois des Mèdes et des Perses pendant la première moitié du Vème siècle avant J.-C.
Athènes trouve son apogée dans leur issue victorieuse.
Dessin de deux hoplites, fantassins protégés par un casque, une cuirasse, des protège-bras (cnémides) et d’un bouclier. Ils sont armés d’une lance et d’une épée courte.
Après avoir pris le contrôle des cités grecques d’Asie Mineure au VIème siècle av. J.-C., les Perses attaquent la Grèce à deux reprises au début du Vème siècle.
En -490, les Perses débarquent dans la plaine de Marathon, en Attique, mais ils sont repoussés à la mer par les hoplites athéniens.
En -480, ils envahissent la Grèce et ravagentAthènes, mais leur flotte est coulée dans le détroit de Salamine par les trières grecques et leur armée est battue en -479 à Platées. Ils quittent alors la Grèce et rendent leur liberté aux cités d’Asie Mineure.
Durant les deux guerres, Athènes a fourni l’essentiel des combattants. Grâce à la victoire, son prestige devient considérable en Grèce.
Athènes domine la mer Égée
Après les guerres médiques, les cités de la mer Égée forment une association appelée ligue de Délos. Dont elles confient la direction à Athènes. Les cités de la ligue fournissent un tribut en navire ou en argent pour équiper une flotte destinée à défendre la Grèce en cas de nouvelle attaque perse. Le trésor de la ligue est conservé dans l’île de Délos.
Mais les Athéniens déplacent le trésor à Athènes et l’utilisent pour embellir leur ville. Les cités alliées qui protestent ou qui veulent sortir de la ligue y son maintenues, au besoin par la force.
Athènes établit ainsi sa domination sur la mer Égée pendant plusieurs décennies.
A partir de -431, Sparte fait la guerre à Athènes. La guerre du Péloponnèse dure 25 ans et se termine par la défaite d’Athènes en -405. La flotte athénienne est coulée et un an plus tard, la cité, assiégée, capitule. C’est la fin de la ligue de Délos et de la domination athénienne.
La vie à Athènes
D’un point de vue économique
Au Vème siècle av J.-C., la cité d’Athènes s’étend sur presque tout l’Attique. Elle comprend une ville, Athènes, son port, Le Pirée et la campagne qui les environne.
La ville est organisée autour d’une grande place, l’Agora, et d’une colline, l’Acropole, où se trouvent les temples construits pour la déesse Athéna.
Depuis la fin des guerres médiques, elle est protégée ainsi que le Pirée par de solides remparts.
Plan de la ville d’Athènes où se distinguent la Pnyx (colline où les citoyens se réunissent pour les votes), l’agora, l’acropole, et le port du Pirée. (Plus d’informations sur les bâtiments et lieux de la Cité-État)
L’agriculture est la première activité de la cité. Mais l’artisanat est très développé et le commerce maritime est florissant: la cité exporte des poteries, de l’huile et du vin, et importe le blé dont elle manque ainsi que le bois nécessaire à la construction navale. Grâce au commerce, la cité entre en relation avec d’autres cité grecques et d’autres peuples.
D’un point de vue social
Il y a fondamentalement trois classes sociales à Athènes qui structurent la société athénienne.
Les citoyens, leurs femmes et leurs enfants sont environ 130.000.
Pour être citoyen, il faut être un homme de plus de 20 ans, né de père et de mère athéniens, et avoir accompli son service militaire. Les citoyens sont au sommet de la société : ils prennent part au gouvernement de la cité et sont les seuls à pouvoir posséder des terres.
Les métèques (environ 100.000), sont les étrangersdomiciliés à Athènes. A la différence des citoyens ils ne peuvent ni participer au gouvernement, ni posséder de terre. Ils doivent en outre aider à la défense d’Athènes et payer un impôt social. Ils sont protégés par la loi et la cité les accueille sans restriction.
Les esclaves (environ 100.000) n’ont aucun droit: ils appartiennent à un propriétaire qui peut les utiliser comme des objets ou les vendre et qui décide de tout pour eux. Ils sont néanmoins mieux traités à Athènes que dans les autres cités grecques.
Les Athéniens habitent de petites maisons dont les pièces donnent sur une cour intérieure.
Les femmes y ont une pièceréservée, le gynécée. Elles donnent des ordres aux domestiques mais ne sont pas libres de sortir seules.
Les jeunes garçons reçoivent une éducation physique, intellectuelle ou musicale. A 18 ans, ils font leur service militaire. Adultes, quand ils ne sont pas absorbés par leurs affaires ou celles de la cité, ils passent beaucoup de temps à l’extérieur, au gymnase, aux bains publics, sur l’Agora.
Le système politique d’Athènes
La démocratie Athénienne
Athènes devient au VIème siècle avant J.-C., une démocratie (du grec démos = le peuple et kratos = le pouvoir). Athènes est une démocratie directe car tous les citoyens participent directement au gouvernement de la cité, c’est-à-dire, sans l’intermédiaire de députés qui les représentent. Leur assemblée (l’Ecclésia) possède tous les pouvoirs, elle prend toutes les décisions politiques, choisit tous les magistrats, surveille toute l’administration, vote les lois et décide de la politique extérieure.
Pour prévenir un coup d’état, elle peut prononcer une peine de bannissement de dix ans, l’ostracisme. Le peuple athénien a donc « un gouvernement par le peuple et pour le peuple ».
L’Ecclésia se réunit au moins quatre fois par mois sur une colline proche de l’Acropole, la Pnyx. Les citoyens y votent les lois et les déclarations de guerre. Après une discussion où chacun peut donner son point de vue, le vote se fait à main levée et la majorité l’emporte.
Les citoyens de l’Ecclésia choisissent aussi les dirigeants de la cité, tous les ans, ils élisent les stratèges qui dirigent le gouvernement et l’armée et ils tirent au sort les autres magistrats, ainsi que les bouleutes qui préparent les lois et les héliastes qui rendent la justice.
Les limites de la démocratie
Pour les citoyens les plus pauvres, la participation au gouvernement de la cité est possible mais difficile, parce qu’il faut y consacrer du temps et se priver ainsi des revenus du travail.
Au milieu du siècle, Périclès décide donc de faire verser une petite indemnité (le misthos) aux citoyens qui deviennent magistrats, bouleutes, ou héliastes.
Mais ce régime politique ne correspond pas encore à l’idée que nous nous faisons d’une vraie démocratie. Elle est conçue pour les citoyens qui ne constituent qu’une petite minorité de la population, excluant les femmes, les étrangers et les esclaves. La démocratie athénienne est donc une démocratie limitée.
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Genèse des Cités-États
A partir de 2000 avant J.-C., les Achéens, venus des abords de la mer noire s’installent en Grèce et fondent des royaumes. Ils se font souvent la guerre, en général pour agrandir leur territoire, mais s’allient parfois contre des ennemis communs (Troie vers 1230 av J.-C.)
Entre le VIIIème et le VIème siècle av J-C, des grecs trop pauvres ou en désaccord avec leur gouvernement quittent leur cité. En longeant les côtes ils créent une nouvelle cité appelée colonie indépendante de l’ancienne cité appelée métropole.
Une deuxième vague d’envahisseurs, les Doriens, entrent en Grèce à partir de 1200 Av J-C.
Les Grecs sont nés du mélange de ces deux peuples venus à des époques différentes.
Vers le VIIIème siècle avant J-C, les tribus hellènes rassemblées en clans se regroupent et construisent des fortifications instaurant ainsi la Cité-État grecque : la polis.
Caractéristiques de la Cité-État
La Cité-État comporte trois éléments :
Une communauté civique qui comprend donc l’ensemble des citoyens et de leur famille.
Une agglomération qui inclut la zone fortifiée, la ville, et la campagne environnante.
Un ensemble d’institutions et de lois.
Généralement de petite taille et de population réduite (1000 à 5000 citoyens) elle peut aussi, comme Athènes, couvrir jusqu’à 2600 km² et rassembler alors 40.000 citoyens. Ceci est sans compter les étrangers et les esclaves qui n’ont pas le droit de la citoyenneté et qui peuvent être 25 fois plus nombreux que les citoyens.
Les plus grandes cités sont : Athènes, Thèbes et Sparte.
Les cités indépendantes les une des autres battent chacune leur propre monnaie.
Un citoyen est un membre d’un état qui a des devoirs et des droitscivils et politiques. Dans l’antiquité le citoyen est celui qui jouit du droit de cité.
Habituellement une Cité-État comporte deux lieux publics primordiaux
L’acropole, monticule fortifié où s’élèvent les temples et les édifices publics. Il sert de refuge aux populations en cas de guerre.
L’agora, place publique où se tiennent les échanges commerciaux et les réunions politiques.
Les différents régimes politiques et leur évolution
La polis est dominée par la noblesse terrienne mais les formes de gouvernement sont très variées. Généralement monarchique à l’origine, la cité passe souvent, dans les siècles suivants, aux mains de l’aristocratie qui installe des oligarchies ou des ploutocraties.
L’oligarchie est un régime politique où le pouvoir est détenu par un petit nombre de personnes.
La ploutocratie est un gouvernement pas les riches.
Lors de graves troubles sociaux, il peut arriver qu’un tyran s’empare du pouvoir pour un certain temps. Le tyran désignait chez les grecs celui qui s’emparait du pouvoir par la force ou en ne respectant pas les règles, par opposition au monarque à qui le pouvoir revenait de droit.
La connotation péjorative qui s’attache aujourd’hui au mot tyran est apparue au Moyen-Âge.
Au VIIème siècle avant J-C, la cité de Sparte se dote d’un régime monarchique, oligarchique, et militaro–totalitaire.
Au VIème siècle avant J-C, Athènes instaure un régime démocratique.
Une démocratie (du grec demos qui veut dire peuple et kratos qui veut dire pouvoir) est un gouvernement qui appartient à tous les citoyens.
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