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Vidéo de la leçon : L’ADN des procaryotes Biologie

Dans cette vidéo, nous allons en apprendre davantage sur l’ADN des procaryotes.

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Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons en apprendre davantage sur l’ADN des procaryotes. Nous discuterons de la nature circulaire du chromosome, de la façon dont il est compacté, et nous verrons comment il se compare à celui des eucaryotes. Ensuite, nous en apprendrons davantage sur l’ADN non chromosomique que l’on trouve sous la forme de plasmides et certaines de leurs fonctions. Enfin, nous aborderons l’origine des mitochondries et des chloroplastes et nous verrons comment ils ont pu évoluer à partir de cellules procaryotes.

Les procaryotes sont des organismes unicellulaires qui se distinguent principalement des eucaryotes par l’absence d’un noyau contenant leur ADN. Les procaryotes sont généralement 10 à 100 fois plus petits que les eucaryotes. Mais par souci de simplicité, nous les représenterons avec une taille similaire pour pouvoir les comparer. Les procaryotes sont également dépourvus d’organites membranaires que l’on trouve chez les eucaryotes, comme la mitochondrie.

Avant d’approfondir sur l’ADN procaryote, revoyons l’anatomie d’une cellule procaryote en détail. De nombreux procaryotes possèdent trois couches distinctes qui séparent l’intérieur de la cellule de l’environnement extérieur. La capsule est une couche externe collante qui aide les procaryotes à adhérer aux surfaces. La couche suivante est la paroi cellulaire, qui protège l’intérieur de la cellule et maintient sa forme. Puis il y a la membrane plasmique, qui contient les composants internes de la cellule. L’extérieur de la cellule est recouvert de pili ou pilus au singulier, des structures courtes ressemblant à des poils qui peuvent faciliter les déplacements et qui sont également impliqués dans le transfert de l’ADN à d’autres procaryotes, comme nous le verrons; et elle est aussi dotée d’un flagelle, qui facilite le mouvement.

Nous pouvons voir des ribosomes à l’intérieur de la cellule, qui contribuent à la production de protéines, et l’ADN chromosomique des procaryotes. Cet ADN est souvent disposé sous la forme d’un chromosome circulaire unique, qui n’est pas contenu à l’intérieur d’un noyau comme les cellules eucaryotes. Il est à la place concentré dans une région appelée le nucléoïde. Ce chromosome contient la majorité de l’information génétique de la cellule, le restant étant codé dans les autres formes d’ADN qui ne font pas partie du chromosome, appelés l’ADN plasmidique. Comme nous le verrons, les plasmides sont des molécules d’ADN circulaires plus petites qui contiennent certains gènes bénéfiques au procaryote.

Examinons maintenant certaines des caractéristiques de cet ADN procaryote et comparons-le à l’ADN eucaryote. Comme nous l’avons mentionné, l’ADN des eucaryotes est entouré d’un noyau, alors que les procaryotes n’en ont pas. Au lieu de cela, leur ADN se situe dans une zone de la cellule appelée le nucléoïde. Quant à la forme de leur chromosome, elle est difficile à définir parce qu’il y a beaucoup d’ADN dans ce schéma. Mais s’il y en avait moins, nous verrions que le procaryote a généralement un seul chromosome circulaire, que nous pouvons voir ici, par rapport aux eucaryotes qui possèdent généralement plusieurs chromosomes linéaires, indiqués ici.

Les procaryotes n’ont généralement qu’une copie de leur chromosome et sont donc habituellement haploïdes, alors que les eucaryotes possèdent généralement plusieurs copies et sont diploïdes avec deux copies, voire plus. L’ADN est très compacté que ce soit chez les procaryotes que chez les eucaryotes. D’ailleurs, si l’ensemble de l’ADN d’une seule cellule humaine, un eucaryote, était aligné puis étiré, il mesurerait environ deux mètres de long. Si nous devions démêler l’ADN eucaryote, nous verrions qu’il est empaqueté par des protéines spécialisées appelées histones.

Chez les procaryotes, l’ADN circulaire est torsadé ou enroulé de nombreuses fois pour l’empaqueter. Chez le procaryote E. coli, une cellule individuelle contient environ 1,4 millimètre d’ADN. Cela représente environ 1000 fois la taille de la cellule elle-même. Pour condenser autant d’ADN, celui-ci doit subir un enroulement important, appelé superenroulement. Imaginez un élastique, qui représente l’ADN chromosomique, que vous tordez pour former des bobines. On peut la tordre davantage, puis la torsader encore plus jusqu’à ce que les bobines commencent à se replier les unes sur les autres pour former une structure plus compacte. En répétant cette opération de nombreuses fois, on obtient une boule condensée d’ADN superenroulé. Des protéines sont impliquées dans ce processus, mais il ne s’agit pas des histones comme chez les eucaryotes.

La dernière différence que nous allons aborder est l’ADN plasmidique, de l’ADN non chromosomique que contiennent les procaryotes. Il ne se trouve généralement pas chez les eucaryotes.

Maintenant que nous avons vu certaines des principales différences entre l’ADN procaryote et l’ADN eucaryote, examinons de plus près ces plasmides. Comme nous pouvons le voir ici, un plasmide est un morceau d’ADN circulaire. Rappelez-vous que la longueur de l’ADN est mesurée en nucléotides ou en paires de bases. En général, la taille des plasmides peut varier de quelques centaines de nucléotides à plus de 100 000 nucléotides. L’un des plus grands plasmides découverts a une taille de 1,8 million de nucléotides. C’est plus long que l’ADN chromosomique de certains organismes. Les plasmides contiennent souvent différents gènes qui peuvent être bénéfiques au procaryote en lui permettant de se développer dans des environnements qui lui seraient autrement fatals. Certains, par exemple, codent pour l’antibiorésistance ou la résistance aux métaux lourds toxiques.

D’autres groupes de gènes codés par les plasmides, appelés facteurs de virulence, peuvent aider le procaryote à infecter son hôte. La souche E. coli 0157 responsable de maladies en est un bon exemple. Il s’agit de la souche de E. coli dont vous entendez souvent parler aux actualités lorsqu’elle contamine du bœuf ou de la laitue. Les symptômes de la maladie comprennent généralement de la diarrhée, des vomissements, de la fièvre et peuvent dans certains cas donner la mort. E. coli 0157 tire son nom d’un certain plasmide qu’elle possède, appelé p0157. Ce plasmide contient des dizaines de facteurs de virulence qui infectent l’Homme, dont certains permettent à la bactérie d’adhérer aux cellules intestinales afin de coloniser l’intestin. D’autres servent à éviter qu’elle ne soit détectée, à s’échapper du système immunitaire ou à tolérer l’environnement acide de l’estomac. Ainsi, le plasmide aide E. coli à s’adapter à son hôte et à survivre dans cet environnement autrement dangereux.

Combien de plasmides un procaryote peut-il avoir? Certains procaryotes peuvent contenir jusqu’à 20 plasmides différents, chacun ayant un ensemble différent de gènes. Chacun de ces plasmides peut se répliquer indépendamment de l’ADN chromosomique. Ainsi, il peut exister de nombreuses copies d’un même plasmide dans une cellule, allant d’une à plusieurs centaines de copies. Lors de la division cellulaire d’un procaryote, les plasmides qu’il contient sont également transférés. Comme nous l’avons vu, les plasmides peuvent être très utiles aux procaryotes. Afin de faire bénéficier ces avantages à d’autres, les plasmides peuvent être transférés d’un procaryote à l’autre dans un processus appelé conjugaison. Examinons-la en détail.

On considère un procaryote qui possède un plasmide lui conférant une résistance à un antibiotique, comme la pénicilline. La pénicilline est un antibiotique qui peut perturber la synthèse de la paroi cellulaire procaryote. Il en est affaibli, et finit par être lysé et mourir. Notre gène de résistance à la pénicilline produit une enzyme qui peut cliver la pénicilline pour éviter ce phénomène. Les procaryotes qui possèdent ce plasmide sont donc résistants à la pénicilline. Donc, dans ce cas, ce procaryote est notre donneur ou donnateur et il est résistant à l’antibiotique pénicilline. Supposons maintenant que nous ayons un autre procaryote qui n’est pas résistant à la pénicilline et qui y est donc sensible. Il s’agit de notre cellule receveuse ou réceptrice.

Pendant la conjugaison, un pilus spécialisé, appelé pilus sexuel, s’étend de la cellule donneuse à la cellule receveuse pour qu’elles se rapprochent. Maintenant que les cellules sont en contact, un pont se forme entre elles. Bien que ce plasmide soit représenté sous la forme d’une simple boucle, il s’agit en fait d’un double brin. Alors dessinons-le donc de cette façon. Ensuite, l’un des brins de l’ADN plasmidique est coupé, puis transféré dans la cellule réceptrice. Au cours de ce processus, le deuxième brin d’ADN est synthétisé, mais pour simplifier, nous allons continuer à le représenter de cette façon. Une fois le plasmide transféré dans la cellule réceptrice, celle-ci porte désormais le plasmide et le gène de l’antibiorésistance et est donc résistante à la pénicilline.

Vous avez peut-être entendu parler de la résistance des bactéries aux antibiotiques, ce qui devient un problème mondial. En effet, les antibiotiques sont prescrits de façon excessive et sont faciles d’accès, ce qui a conduit le public à mal les utiliser. Supposons donc que nous soyons infectés par une population de bactéries. Mais l’une d’entre elles est porteuse d’un plasmide qui confère une résistance à la pénicilline. En traitant cette infection avec de la pénicilline, toutes ces bactéries seront tuées, sauf celle qui est résistante à la pénicilline. Cette bactérie peut alors se multiplier pour créer d’autres bactéries résistantes à la pénicilline. Ou elle peut transférer le plasmide à d’autres bactéries par conjugaison.

Comme toutes ces bactéries sont désormais résistantes à la pénicilline, le traitement de cette infection avec la pénicilline ne fonctionnera plus. Cette infection est alors soignée avec un autre antibiotique, comme l’amoxicilline. Et elle tuera à nouveau la plupart des cellules, sauf celle qui résiste à l’amoxicilline. Cette bactérie pourrait alors être résistante aux deux antibiotiques. C’est à cause d’un usage abusif des antibiotiques que des souches de bactéries résistantes à ces derniers peuvent apparaître. La véritable crainte dans tout cela est de manquer d’antibiotiques pour traiter les infections qui pourraient devenir mortelles, surtout lorsqu’il ne s’agissait autrefois que d’une simple infection. Il est certain que l’avenir de l’humanité et des procaryotes s’annonce sombre si nous ne nous attaquons pas à ce problème.

Revenons maintenant en arrière pour discuter de l’origine procaryote des mitochondries et des chloroplastes, connue sous le nom de la théorie endosymbiotique. La théorie endosymbiotique stipule que la mitochondrie et le chloroplaste proviennent tous deux d’un ancêtre procaryote. Les premiers eucaryotes, dépourvus de mitochondries ou de chloroplastes, ont certainement ingéré un procaryote capable de respiration aérobie ou de photosynthèse. Cette relation endosymbiotique devait être mutuelle puisque les deux cellules en ont bénéficié.

La symbiose est un type d’interaction biologique étroite et durable entre deux organismes différents. Et endo désigne le fait que l’un de ces organismes vit à l’intérieur de l’autre. L’eucaryote a pu bénéficier de l’énergie libérée par le procaryote aérobie, tandis que le procaryote a pu bénéficier des nutriments fournis par l’eucaryote. Au cours de milliards d’années, ce procaryote aérobie a sûrement évolué pour devenir la mitochondrie que nous connaissons aujourd’hui. Un processus similaire a dû se produire avec les procaryotes photosynthétiques qui ont finit par devenir le chloroplaste.

Plusieurs éléments le prouvent, notamment le fait que les mitochondries et les chloroplastes contiennent tous deux leur propre ADN, qui est circulaire et dépourvu d’histones comme celui des procaryotes. Les mitochondries et les chloroplastes possèdent également leurs propres ribosomes, des organites impliqués dans la production de protéines, qui sont très similaires aux ribosomes des procaryotes. La taille des mitochondries et des chloroplastes est également similaire à celle des procaryotes. Ces preuves et d’autres encore soutiennent l’hypothèse que les mitochondries et les chloroplastes ont évolué à partir de procaryotes. Maintenant, essayons de répondre à une question pratique pour appliquer ce que nous avons appris.

Où se trouve l’ADN chromosomique dans une cellule procaryote?

Souvenez-vous que les procaryotes sont des organismes unicellulaires souvent plus petits que les eucaryotes qui se distinguent par l’absence de noyau ou d’organites délimités par une membrane. Agrandissons un peu cette cellule procaryote pour pouvoir examiner son anatomie et répondre à cette question.

La plupart des procaryotes possèdent trois couches qui séparent l’intérieur de la cellule de l’extérieur. La capsule est la couche externe collante utilisée par certains procaryotes pour adhérer aux surfaces. La paroi cellulaire est la couche intermédiaire, et elle donne à la cellule sa forme et protège l’intérieur de la cellule. Enfin, il y a la membrane plasmique, qui aide à maintenir en place les constituants internes de la cellule. À l’extérieur de la cellule se trouve une structure similaire à un poil appelée pilus, ou pili au pluriel, qui permet au procaryote de se mouvoir. La structure en forme de queue, appelée flagelle, favorise également le mouvement.

Si nous nous concentrons à présent sur l’intérieur de la cellule, nous pouvons observer le cytoplasme, le liquide qui remplit l’intérieur de la cellule. Le ribosome est impliqué dans la production des protéines. Et le plasmide est un morceau circulaire d’ADN non chromosomique qui est distinct du chromosome. Enfin, nous avons le chromosome procaryote, qui contient l’ADN chromosomique mentionné dans la question. Comme nous l’avons vu, cet ADN n’est pas contenu dans un noyau. Il est plutôt concentré dans une zone de la cellule appelée nucléoïde. Par conséquent, dans une cellule procaryote, l’ADN chromosomique est contenu dans le nucléoïde.

Prenons maintenant le temps de revoir les points clés de cette vidéo. L’ADN procaryote existe sous forme d’ADN chromosomique ou d’ADN plasmidique, tous deux de structure circulaire. Il existe de nombreuses différences entre l’ADN procaryote et l’ADN eucaryote. L’ADN procaryote n’est pas contenu dans un noyau, mais plutôt dans une zone appelée nucléoïde, contrairement à l’ADN eucaryote. Les procaryotes ont généralement un chromosome circulaire unique, tandis que les eucaryotes ont généralement plusieurs chromosomes linéaires. Les procaryotes sont généralement haploïdes, tandis que les eucaryotes sont généralement diploïdes ou plus. L’ADN procaryote n’est pas empaqueté par des histones, alors que l’ADN eucaryote l’est. Les procaryotes possèdent de l’ADN non chromosomique, autrement dit des plasmides, ce qui n’est pas le cas des eucaryotes. Enfin, il se peut que les mitochondries et les chloroplastes ont évolué à partir de procaryotes, comme l’affirme la théorie de l’endosymbiose.

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