Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les structures contenant de l’ADN dans les cellules procaryotes.
La résistance aux antibiotiques des bactéries est une menace mondiale. De nombreuses infections, y compris la pneumonie à pneumocoque, la tuberculose et la gonorrhée, sont de plus en plus difficiles à traiter avec des antibiotiques, car les bactéries qui causent ces infections développent des moyens de combattre et de résister aux antibiotiques. Cela peut conduire à de plus longs séjours en hôpital, à une augmentation des coûts médicaux et à une augmentation de la mortalité. Les antibiotiques sont surprescrits, faciles d’accès et mal utilisés par le public, ce qui augmente le nombre de bactéries résistantes aux antibiotiques. Selon l’Organisation Mondiale de la Santé, sans réponse rapide, la résistance aux antibiotiques pourrait rendre mortelles des infections courantes et blessures mineures.
La résistance aux antibiotiques est entièrement liée à l’ADN bactérien. Les mutations de l’ADN conférant aux bactéries une résistance aux antibiotiques peuvent se produire de manière aléatoire.
Mot clé : ADN (acide désoxyribonucléique)
L’ADN est la molécule qui porte les instructions génétiques de la vie. Il est composé de deux brins de nucléotides qui s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une double hélice.
Rappelez-vous que les bactéries, ou procaryotes, sont des organismes cellulaires qui n’ont ni de noyau pour contenir leur ni d’organites accrochés à la membrane. Les eucaryotes, en revanche, ont des cellules avec à la fois un noyau et des organites liés à la membrane.
Terme clé : Cellule procaryote
Une cellule procaryote est une cellule qui n’a pas de noyau ni d’organites accrochés à une membrane.
Mot clé : Cellule eucaryote
Une cellule eucaryote est une cellule qui contient un noyau lié à la membrane et d’autres organites liés à la membrane.
Bien que les procaryotes n’aient pas de noyau, ils ont une région où leur ADN chromosomique est concentré, appelée le nucléoïde. C’est une région de forme irrégulière à l’intérieur de la cellule qui contient la plupart du matériel génétique du procaryote.
Définition : Nucléoïde
Le nucléoïde est une région de forme irrégulière à l’intérieur de la cellule qui contient l’ADN chromosomique, en plus de l’ARN et des protéines, du procaryote.
Le procaryote porte son ADN au sein de son chromosome et, dans certains cas, il peut aussi avoir de l’ADN extrachromosomique appelé plasmide. Vous pouvez le voir sur la figure 1 ci-dessous.
L’ADN chromosomique contient la majorité du matériel génétique du procaryote. La plupart des procaryotes ont une seule molécule d’ADN chromosomique circulaire qui est très compacte à l’intérieur de la cellule. En fait, si vous étiriez le chromosome d’une bactérie, il ferait environ 1,4 millimètre de long, comparé à la bactérie elle-même qui peut faire de 0,2 à 2,0 micromètres de long ! L’ADN procaryote est compacté en le tordant ou en l’enroulant plusieurs fois comme le montre la figure 2. Contrairement aux eucaryotes, la plupart des chromosomes procaryotes ne sont pas associés à des histones, les protéines spécialisées pour aider au compactage. Comme la plupart des procaryotes ne possèdent qu’un seul chromosome, ils sont haploïdes.
Terme clé : Chromosome
Un chromosome est une structure organisée d’ADN et de protéines associées, qui contient les informations génétiques d’un organisme sous la forme de gènes.
Définition : Haploïde
Une cellule haploïde est une cellule qui ne possède qu’un seul lot de chromosomes (n).
Exemple 1: Déterminer où se trouve l’ADN procaryote
Où se trouve l’ADN chromosomique dans une cellule procaryote ?
- dans le nucléole
- dans le nucléoïde
- dans les pili
- dans le noyau
- dans la paroi cellulaire
Réponse
Le procaryote porte son ADN au sein de son chromosome et, dans certains cas, il peut aussi avoir de l’ADN extrachromosomique appelé plasmide. Le chromosome est une molécule circulaire simple, où la majorité de l’ADN est contenue, située dans une région de la cellule appelée le nucléoïde.
Les procaryotes portent également des plasmides, morceaux extrachromosomiques d’ADN circulaire généralement petits et capables de réplication indépendamment du chromosome procaryote.
Regardons les réponses possibles pour voir laquelle décrit le mieux l’emplacement de l’ADN procaryote dans la cellule.
« Le nucléole » est incorrect. Le nucléole est une région spécialisée du noyau eucaryote où les ribosomes sont assemblés. Les ribosomes sont nécessaires à la traduction, le processus de production de protéines à partir d’ARNm.
« Le nucléoïde » semble être correct. Le nucléoïde est une région spécialisée de la cellule procaryote où se trouve l’ADN. Vérifions les réponses restantes pour nous en assurer.
« Les pili » est incorrect. Les pili sont de courtes structures en forme de poils à la surface des cellules procaryotes qui sont impliquées dans le mouvement et l’adhésion aux surfaces.
« Le noyau » est incorrect. Le noyau est un organite lié à la membrane dans les cellules eucaryotes, qui contient l’ADN. Il n’est pas retrouvé chez les procaryotes, et c’est d’ailleurs une différence majeure entre les procaryotes et les eucaryotes.
Enfin, « la paroi » est également incorrect. Bien que les cellules procaryotes aient une paroi pour maintenir leur forme et protéger leur contenu, la paroi cellulaire n’est pas l’emplacement de l’ADN chromosomique procaryote.
Par conséquent, la réponse correcte est la B : le nucléoïde.
Les informations génétiques supplémentaires, pas nécessairement essentielles à la vie des procaryotes, peuvent être stockées dans des plasmides. La plupart des plasmides sont des molécules circulaires extrachromosomales d’ADN qui sont beaucoup plus petites que le chromosome procaryote. Vous pouvez le voir sur la figure 1. Ils peuvent se répliquer indépendamment du chromosome procaryote et, dans certains cas, sont capables de s’intégrer à l’ADN chromosomique. Certains procaryotes peuvent avoir jusqu’à 20 plasmides différents dans une même cellule. Ces plasmides peuvent être transmis à d’autres procaryotes pour « partager » des avantages génétiques tels que des gènes leur permettant de pousser dans des conditions particulières ou conférant une résistance aux antibiotiques. Vous pouvez voir ceci en figure 3. Les plasmides peuvent également être utilisés pour insérer de l’ADN étranger dans des cellules bactériennes en génie génétique. Cela peut être fait en insérant des gènes étrangers dans un plasmide puis en transférant le plasmide dans des cellules bactériennes.
Terme clé : Plasmide
Un plasmide est une molécule d’ADN généralement petite, circulaire et extra-chromosomique qui contient des gènes supplémentaires non présents sur le chromosome bactérien, comme une résistance aux antibiotiques. Ils peuvent être utilisés pour importer de l’ADN dans des cellules bactériennes pour le clonage d’ADN.
Exemple 2: Repérer un plasmide sur le schéma d’un procaryote
Le schéma ci-dessous représente la structure simplifiée d’une cellule bactérienne. Quelle lettre indique un plasmide ?
- Z
- Y
- W
- X
Réponse
Le procaryote porte son ADN au sein de son chromosome et, dans certains cas, il peut aussi avoir de l’ADN extrachromosomique appelé plasmide. Le chromosome est une molécule circulaire simple, où la majorité de l’ADN est contenu, située dans une région de la cellule appelée le nucléoïde. Les procaryotes portent également des plasmides, morceaux extrachromosomiques d’ADN circulaire généralement petits et capables de réplication indépendamment du chromosome procaryote. Les plasmides contiennent souvent des gènes de résistance aux antibiotiques.
Complétons la légende de cette illustration d’une cellule bactérienne pour déterminer où se trouve le plasmide.
« Z » indique la membrane plasmique. C’est la bicouche lipidique qui sépare l’intérieur de la cellule de l’extérieur.
« Y » indique un plasmide. C’est un morceau extrachromosomique d’ADN circulaire, généralement petit et capable de réplication indépendamment du chromosome.
« W » indique les ribosomes. Ce sont des machines macromoléculaires spécialisées dans la production de protéines pour la cellule.
« X » indique le chromosome procaryote. C’est là que la majorité des informations génétiques d’un procaryote sont stockées.
Par conséquent, la réponse correcte est la B, c’est « Y » qui indique un plasmide.
Les gènes de résistance aux antibiotiques sont souvent retrouvés dans les plasmides et codent des enzymes qui bloquent le fonctionnement de l’antibiotique. Par exemple, la pénicilline inhibe la synthèse de la paroi bactérienne, ce qui provoque la mort de la cellule. Dans les années 1940, peu de temps après l’apparition de la pénicilline, la bactérie S. aureus est devenue résistante à la pénicilline grâce à sa pénicillinase, une enzyme codée par un plasmide. Cette enzyme clive un composant essentiel de la pénicilline, rendant cet antibiotique inefficace. Le développement de nouveaux médicaments à base de pénicilline a permis de contourner cela, mais seulement temporairement car de nouveaux gènes de résistance se développent.
Les différences entre les ADN procaryotes et eucaryotes sont listées dans le tableau 1 ci-dessous.
Tableau 1: Un aperçu des différences entre l’ADN des cellules procaryotes et celui des cellules ou organismes eucaryotes.
| ADN chez les procaryotes | ADN chez les eucaryotes |
|---|---|
| Pas de noyau (possède une région nucléaire appelée nucléoïde) | Possède un noyau |
| Possède en général un seul chromosome circulaire | Possède en général plusieurs chromosomes linéaires |
| En général, un haploïde | Un ou plusieurs haploïdes |
| ADN généralement non associé aux protéines histones | ADN associé aux protéines histones |
| Peut avoir plusieurs plasmides | Ne possède généralement pas de plasmides, sauf quelques exceptions chez les champignons et les plantes |
Exemple 3: Comparer l’ADN des procaryotes et des eucaryotes
Laquelle des affirmations suivantes compare correctement l’ADN eucaryote et l’ADN procaryote ?
- L’ADN eucaryote forme une seule boucle chromosomique, tandis que l’ADN procaryote forme de nombreux petits plasmides circulaires.
- Les chromosomes eucaryotes contiennent des protéines spécialisées qui aident à former de la chromatine, contrairement à la plupart des chromosomes procaryotes.
- Les ADN eucaryote comme procaryote se condensent pour former des chromosomes en forme de X avant que la cellule ne se divise.
Réponse
L’ADN procaryote existe principalement sous la forme d’un chromosome simple circulaire, contenu dans une région de la cellule appelée le nucléoïde. Il est compacté par enroulement sans nécessiter de protéines spécialisées appelées les histones.
Chez la plupart des eucaryotes, l’ADN existe sous forme de multiples chromosomes linéaires qui sont compactés à l’aide de protéines spécialisées appelées les histones pour former de la chromatine. Avant la division cellulaire, les chromosomes eucaryotes se condensent pour former des structures en forme de X. Tout cela a lieu à l’intérieur d’un noyau.
Les procaryotes portent également des plasmides. Les plasmides sont des morceaux d’ADN extrachromosomaux, circulaires et généralement petits, qui portent souvent des gènes de résistance aux antibiotiques. Les plasmides peuvent se répliquer indépendamment de l’ADN chromosomique procaryote et peuvent être transmis à d’autres procaryotes.
Revoyons ces réponses pour déterminer laquelle compare correctement ADN eucaryote et ADN procaryote.
La réponse A, « l’ADN eucaryote forme une seule boucle chromosomique, tandis que l’ADN procaryote forme de nombreux petits plasmides circulaires », est incorrecte. La première partie de la réponse, « l’ADN eucaryote forme une seule boucle chromosomique » est incorrecte. En effet, l’ADN eucaryote ne forme pas une seule boucle chromosomique, il est constitué de plusieurs chromosomes linéaires. La deuxième partie de la réponse, « l’ADN procaryote forme beaucoup de petits plasmides circulaires », est aussi incorrecte car les procaryotes forment deux types d’ADN, et pas juste des plasmides. Ils ont aussi un seul chromosome circulaire, qui contient la majorité de leur ADN, et ils peuvent avoir plusieurs molécules d’ADN circulaires appelées plasmides.
La réponse B, « les chromosomes eucaryotes contiennent des protéines spécialisées qui aident à former de la chromatine, contrairement à la plupart des chromosomes procaryotes », semble être un bon choix. La première partie de la réponse « les chromosomes eucaryotes contiennent des protéines spécialisées qui aident à former de la chromatine » est correcte. Les cellules eucaryotes contiennent des histones qui aident à empaqueter l’ADN dans la chromatine. La deuxième partie de la réponse, à savoir que la plupart des chromosomes procaryotes ne « contiennent pas de protéines spécialisées pour aider à former de la chromatine », est correcte. La plupart des chromosomes procaryotes n’ont pas d’histones pour former de la chromatine, alors que les eucaryotes ont généralement cette caractéristique.
La réponse C, « les ADN eucaryote comme procaryote se condensent pour former des chromosomes en forme de X avant que la cellule ne se divise », est incorrecte. La chromatine des eucaryotes se condense avant la division cellulaire pour former des chromosomes en forme de X. Cela n’a pas lieu chez les procaryotes. La plupart des procaryotes n’ont pas d’histones, les protéines spécialisées pour l’enroulement de l’ADN en chromatine chez les eucaryotes, et l’ADN procaryote ne se condense pas pour former des chromosomes en forme de X.
Par conséquent, la bonne réponse est la B : les chromosomes eucaryotes ont des protéines spécialisées qui les aident à former de la chromatine, alors que la plupart des chromosomes procaryotes n’en contiennent pas.
On pense que les mitochondries et les chloroplastes, deux organites retrouvés chez les eucaryotes, ont évolué à partir des procaryotes ! Ils ont tous les deux un ADN circulaire et se divisent de la même manière que les procaryotes.
Les premiers eucaryotes ont peut-être ingéré un procaryote qui était capable de respirer par voie aérobie (et qui est devenu la mitochondrie) ou qui était capable de photosynthèse (et qui est devenu le chloroplaste), comme représenté en figure 4.
La symbiose est un « partenariat » biologique de longue durée dans lequel deux organismes sont mutuellement avantagés. Dans ce cas-ci, la cellule eucaryote plus grande apportait au procaryote des nutriments, et la cellule procaryote plus petite fournissait à la cellule eucaryote de l’ATP par respiration cellulaire. Un processus similaire a probablement eu lieu pour les chloroplastes.
Au cours de milliards d’années, ces procaryotes auraient progressivement perdu la plupart de leurs gènes (non nécessaires car l’eucaryote assurait leur survie) et auraient fini par devenir des mitochondries ou des chloroplastes. C’est ce qu’on appelle la théorie endosymbiotique, « endo- » signifiant dans ou intérieur.
Terme clé : Théorie endosymbiotique
La théorie endosymbiotique suggère que les mitochondries et les chloroplastes étaient autrefois des procaryotes qui ont été ingérés par un eucaryote. Ils auraient formé une relation symbiotique, et le procaryote aurait évolué jusqu’à devenir l’organite que nous connaissons aujourd’hui.
Exemple 4: Comprendre la théorie endosymbiotique des origines de la mitochondrie
Les mitochondries, organites trouvés dans les cellules eucaryotes (représentées sur la figure), possèdent leurs propres boucles circulaires d’ADN. Selon la théorie endosymbiotique, que cela suggère-t-il à propos de l’évolution des mitochondries ?
- Les mitochondries ont subi de nombreuses mutations dans leur ADN, si bien que leur structure ressemble maintenant à l’ADN bactérien.
- Les mitochondries ont évolué pour devenir des organites parasites distincts à l’intérieur des cellules d’un eucaryote.
- Les mitochondries étaient auparavant des organismes procaryotes distincts, avant d’être incorporés aux eucaryotes.
Réponse
Le chromosome procaryote est une molécule circulaire simple où la majorité de l’ADN est contenu, situé dans une région de la cellule appelée le nucléoïde. Les procaryotes peuvent également porter des plasmides, qui sont des morceaux d’ADN circulaires beaucoup plus petits qui ont souvent des gènes conférant une résistance aux antibiotiques.
Les mitochondries et les chloroplastes contiennent également de l’ADN circulaire et se divisent de la même manière que les procaryotes. On pense que les mitochondries et les chloroplastes, deux organites retrouvés chez les eucaryotes, ont évolué à partir des procaryotes ! Ils ont tous les deux un ADN circulaire et se divisent de la même manière que les procaryotes.
La théorie endosymbiotique suggère que les mitochondries et les chloroplastes aient au départ été des procaryotes.
Les premiers eucaryotes ont peut-être ingéré un procaryote aérobie ou photosynthétique. Cela pourrait avoir formé une relation symbiotique, où la cellule eucaryote fournit des nutriments au procaryote et le procaryote fournit de l’ATP par respiration cellulaire ou par photosynthèse. Au cours de milliards d’années, ces procaryotes auraient perdu de nombreux gènes plus nécessaires puisqu’ils étaient entretenus par l’eucaryote, et seraient finalement devenus connus sous le nom de mitochondries ou de chloroplastes. Vous pouvez le voir sur la figure plus haut.
Maintenant, regardons les réponses possibles à comment la théorie endosymbiotique explique que les mitochondries aient leur propre boucle circulaire d’ADN.
En A, « les mitochondries ont subi de nombreuses mutations dans leur ADN, si bien que leur structure ressemble maintenant à l’ADN bactérien » n’est pas correct. La théorie endosymbiotique stipule qu’une cellule procaryote a été ingérée par un eucaryote, qu’ils ont formé une relation symbiotique étroite et que le procaryote a finalement évolué en mitochondrie. Par conséquent, l’ADN de la mitochondrie était à l’origine procaryote, et non eucaryote, comme le suggère cette réponse. En outre, bien que de nombreuses mutations auraient pu se produire au cours du temps dans l’ADN du procaryote symbiotique, cela aurait rendu la mitochondrie résultante beaucoup plus simple que le chromosome procaryote. De nombreux gènes ont été perdus au fil du temps car ils n’étaient plus nécessaires, leurs fonctions étant remplies par la cellule eucaryote symbiotique.
En B, « les mitochondries ont évolué pour devenir des organites parasites distincts à l’intérieur des cellules d’un eucaryote » n’est pas vrai. La théorie endosymbiotique stipule qu’un procaryote et un eucaryote ont formé une relation symbiotique, dont les deux membres ont bénéficié. Une relation parasitaire, où un membre en bénéficie et un autre (l’hôte) subit un préjudice, n’est pas une relation symbiotique.
En C, « les mitochondries étaient auparavant des organismes procaryotes distincts, avant d’être incorporés aux eucaryotes » est exact. La théorie endosymbiotique suggère que les mitochondries aient autrefois été un procaryote ingéré par un eucaryote. Ils ont formé une relation symbiotique et le procaryote a finalement évolué en mitochondrie.
Par conséquent, la bonne réponse est la C : les mitochondries étaient auparavant des organismes procaryotes distincts, avant d’être incorporés aux eucaryotes.
Récapitulons les points clés que nous avons abordés dans cette fiche explicative.
Points clés
- La plupart de l’ADN procaryote se trouve dans leur seul chromosome circulaire.
- Les informations génétiques supplémentaires, comme une résistance aux antibiotiques, peuvent être trouvées sur de minuscules morceaux d’ADN circulaires extrachromosomiques appelés les plasmides.
- Il y a beaucoup de différences entre l’ADN procaryote et l’ADN eucaryote.
- D’après la théorie endosymbiotique, les mitochondries et les chloroplastes auraient évolué à partir de procaryotes.
