🧬 Biologie

Qu'est-ce qu'une cellule ?

La cellule est la plus petite unité structurelle et fonctionnelle d'un être vivant. Tous les organismes sont composés d'une ou plusieurs cellules. Elles contiennent le matériel génétique (ADN) et possèdent une membrane qui les sépare de leur environnement. La théorie cellulaire (Schleiden & Schwann, 1838-1839) postule que : 1) tout être vivant est composé de cellules, 2) la cellule est l'unité structurelle de la vie, 3) toute cellule provient d'une cellule préexistante (biogenèse de Virchow, 1855). Cette théorie est l'un des piliers de la biologie moderne avec la théorie de l'évolution et la génétique.

Les types de cellules

Illustration d'une cellule eucaryote avec ses organites

Organites — description exhaustive

• Noyau — Centre de contrôle, enveloppe double à ~3 000 pores nucléaires (transport régulé par importines/exportines). Chromatine : euchromatine (active, décondensée) et hétérochromatine (silenciée, condensée, riche en méthylation H3K9). Nucléole : transcription ARNr, assemblage sous-unités ribosomiques. Diamètre 5-10 µm. Lamines nucléaires = charpente filaments intermédiaires. Laminopathies : progeria de Hutchinson-Gilford (vieillissement accéléré).
• Mitochondries — Centrales énergétiques. ATP par phosphorylation oxydative. ADNmt circulaire ~16,5 kb, 37 gènes, hérité de la mère (exception : transmission paternelle rare). Double membrane, crêtes mitochondriales (augmentent surface). Cycle de Krebs (matrice), complexes I-IV + ATP synthase (membrane interne). Jusqu'à 2 000 par hépatocyte. Rôles : apoptose (cytochrome c + apaf-1 → caspase-9), métabolisme Ca²⁺, synthèse hème/urée, thermogenèse (UCT-1 dans tissu adipeux brun). Maladies mitochondriales : MELAS, Leber. Dégénérescence mitochondriale liée au vieillissement.
• RER (rugueux) — Ribosomes fixés. Synthèse protéines sécrétées/membranaires/lysosomales. Modifications : repliement (chaperonnes BiP, calnexine, PDI), ponts disulfure, N-glycosylation (dolichol). Contrôle qualité : ERAD (ER-Associated Degradation) → protéasome 26S pour protéines mal repliées. Réponse UPR (Unfolded Protein Response) si surcharge. Continu avec enveloppe nucléaire.
• REL (lisse) — Synthèse lipidique (phospholipides, cholestérol). Cytochrome P450 : métabolisme xénobiotiques/médicaments (phase I hépatique). Stockage Ca²⁺. Hormones stéroïdes (androgènes, œstrogènes, cortisol). Réticulum sarcoplasmique musculaire = REL spécialisé libérant Ca²⁺ pour contraction.
• Appareil de Golgi — Dictyosomes (cis → médian → trans). Glycosylation terminale, sulfatation, phosphorylation. Tri par signaux d'adressage (signal mannose-6-P → lysosomes). TGN = gare de tri. Polymérisation mucopolysaccharides, synthèse paroi végétale.
• Lysosomes — pH 4,5-5. >60 hydrolases (lipases, glycosidases, protéases, nucléases). Digestion : endocytose, autophagie (Nobel Yoshinori Ohsumi 2016), phagocytose. Voie endosomiale : endosomes précoces → tardifs → lysosomes. Maladies : Tay-Sachs (β-hexosaminidase A), Gaucher (glucocérébrosidase), Hurler (α-L-iduronidase), Pompe (α-glucosidase), Niemann-Pick. Enzymothérapie substitutive disponible pour certaines.
• Peroxysomes — Catalase + oxydases. β-oxydation VLCFA (acides gras C24:0, C26:0). Détoxification H₂O₂ → H₂O + O₂. Biosynthèse plasmalogènes, acides biliaires, DHA. Zellweger = défaut biogenèse (PEX gènes). X-ALD = accumulation VLCFA (film « Le Secret de Lorenzo »).
• Chloroplastes — Photosynthèse. Double membrane + stroma + thylakoïdes (granums + lamelles intergranaires). Pigments : chlorophylle a/b, caroténoïdes (xanthophylles, β-carotène). ADN circulaire ~120-160 kb. Réactions lumineuses : PSII (P680, clivage H₂O → O₂) → plastoquinone → cytochrome b6f → plastocyanine → PSI (P700) → ferrédoxine → NADPH. ATP synthase (photophosphorylation). Cycle de Calvin : Rubisco (enzyme la plus abondante sur Terre !) fixe CO₂ sur ribulose-1,5-bisP → 2 × 3-phosphoglycérate → glycéraldéhyde-3-P → glucose. Équation : 6CO₂ + 6H₂O + lumière → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.
• Vacuoles — Végétales : 80-90% volume, turgescence (pression osmotique contre paroi), stockage (eau, ions K⁺/Ca²⁺/NO₃⁻, sucres, acides organiques, pigments anthocyanes, alcaloïdes, tanins, cristaux d'oxalate). Contractiles (protistes d'eau douce) : osmorégulation, cyclose. Digestives : phagotrophie.
• Membrane plasmique — Bicouche phospholipidique asymétrique (PS interne, PC externe) + protéines. Modèle mosaïque fluide (Singer & Nicolson, 1972). Rôles : barrière sélective, signalisation (récepteurs), adhésion (cadhéries Ca²⁺-dépendantes, intégrines, sélectines), reconnaissance (CMH I/II, groupes sanguins ABO). Cholestérol régule fluidité (rigidifie à T° élevée, fluidifie à basse T°). Glycocalyx. Épaisseur ~7-8 nm. Résistance aux antibiotiques via pompes d'efflux (ex : AcrAB-TolC).
• Cytosquelette — Microtubules (tubuline α/β, 25 nm, polymérisation GTP-dépendante) : forme, transport (kinésine + →, dynéine - ←), fuseau mitotique, cils (9+2) et flagelles. Actine (G-actine → F-actine, 7 nm, ATP-dépendante) : motricité (lamellipodes, filopodes), contraction myosine, endocytose, cytokinèse. Filaments intermédiaires (kératine = peau/cheveux, vimentine = mésenchyme, desmine = muscle, neurofilaments, lamines A/B/C = noyau) : résistance mécanique, ne polymérisent pas dynamiquement. Rôle dans la migration cellulaire (crawlism) : protrusion (actine), adhésion (focales), contraction (myosine II), décolage arrière.
• Centrosome — 2 centrioles perpendiculaires (9 triplets microtubules) + matériel péricentriolaire (γ-tubuline, nucléation). MTOC principal. Fuseau mitotique. Corps basal = centriole à la base cils/flagelles. Cils primaires = antennules sensorielles (défauts → ciliopathies : polykystose rénale, syndrome de Bardet-Biedl). Absent chez gymnospermes/angiospermes.

Transports membranaires

Transport passif — Pas d'ATP. Diffusion simple : molécules petites et apolaires (O₂, CO₂, N₂, stéroïdes, éthanol) traversent directement. Diffusion facilitée : canaux ioniques (Na⁺ voltage-dépendant Nav1.1-1.9, K⁺ Kv1-12, Ca²⁺ Cav1-3, Cl⁻ CFTR/glycine/GABA) et transporteurs facilités (GLUT1-4, perméases). Canaux ligand-dépendants : AChR nicotinique, GABA_A, NMDA. Osmose via aquaporines AQP1-10. Tonicité : hypotonique (gonflement → éventuellement lyse), isotonique (équilibre), hypertonique (plasmolyse végétale, crénelage animal).

Transport actif — ATP-dépendant. Pompe Na⁺/K⁺-ATPase (P-type) : 3Na⁺ sortent / 2K⁺ entrent, consomme ~25% ATP au repos ! Inhibée par ouabaïne/digitaline. Pompe Ca²⁺ : SERCA (RE) et PMCA (membrane). SGLT1/2 = symport Na⁺/glucose (intestin, rein). Antiport Na⁺/Ca²⁺ cardiaque. Endocytose : phagocytose (macrophages, neutrophiles, 1-5 µm), macropinocytose (>0,2 µm), micropinocytose, endocytose médiée par récepteurs (clathrine : LDL, transferrine, insuline ; cavéoline). Exocytose : constitutive (collagène, fibronectine) et régulée (neurotransmetteurs, insuline, enzymes digestives, dégranulation mastocytes).

Cycle cellulaire

Interphase (90%) : G1 (gap 1, croissance + synthèse protéines/organites, point de restriction R), S (synthèse ADN + duplication centrosomes, ~8h), G2 (gap 2, vérification réplication + préparation mitose, synthèse tubuline). Phase M : mitose (~1h) + cytodiérèse. G0 : quiescence (lymphocytes, hépatocytes) ou différenciation terminale post-mitotique (neurones, cardiomyocytes, érythrocytes matures).

Régulation : Complexes cycline/CDK : cycline D + CDK4/6 (G1, Rb phosphorylé), cycline E + CDK2 (G1→S), cycline A + CDK2 (S), cycline B + CDK1/Cdc2 (G2→M). Checkpoints : G1/S (taille, nutriments, signaux mitogènes, absence dommages ADN), G2/M (réplication complète, ADN intact), metaphase/anaphase (tous kinétochores attachés = SAC, Assembly Checkpoint). p53 (TP53) : « gardienne du génome », mutée dans ~50% cancers. Active p21ᵂᴬᶠ¹/ᶜⁱᵖ¹ (inhibiteur CDK universel). Rb (rétinoblastome) contrôle E2F. Ink4 (p16, p15) inhibe CDK4/6. CIP/KIP (p21, p27, p57) inhibe CDK2. Ubiquitine ligases APC/C et SCF dégradent cyclines.

Mitose en détail

• Prophase — Condensation chromatine (condensine + topoisomérase II) → chromosomes (2 chromatides sœurs + centromère + kinétochore). Nucléole disparaît. Centrioles migrent pôles opposés. Fuseau mitotique (microtubules astraux, kinétochoriens, polaires).
• Prométaphase — Enveloppe nucléaire fragmente (phosphorylation lamines). Kinétochores (80+ protéines, CENP-A/B/C) se forment. Microtubules cherchent et capturent kinétochores (search & capture). Congression vers équateur.
• Métaphase — Plaque équatoriale. Tension bilatérale égale. SAC (Spindle Assembly Checkpoint) : Mad2, BubR1 bloquent APC/C tant que tous les kinétochores ne sont pas attachés. Moment idéal pour caryotype standard.
• Anaphase — SAC satisfait → APC/Cᶜᵈᶜ²⁰ ubiquitine sécurine → séparase clive cohesine (Rad21/Scc1). Anaphase A : raccourcissement microtubules kinétochoriens (dépolymérisation). Anaphase B : élongation microtubules polaires (écartement pôles par kinésine-5/Eg5).
• Télophase — Chromosomes décondensent. Enveloppe nucléaire reforme (déphosphorylation lamines). Nucléole réapparaît. Cytodiérèse : anneau contractile actine-myosine II (animaux), phragmoplaste → plaque cellulaire (végétaux). Midbody = pont cytoplasmique final (abscission).

Méiose en détail

Deux divisions successives sans S intermédiaire → 4 cellules haploïdes (n) génétiquement uniques :

• Prophase I — La plus longue et complexe (~90% du temps). Leptotène (condensation, attachement extrémités plaque nucléaire via boucles telomériques). Zygotène (synapsis homologues, complexe synaptonémal central = SYCP1, transversal = SYCP2/3, latéral). Pachytène (crossing-over : SPO11 clive ADN → DSB → recombinaison homologue par DMC1/RAD51 → 1-4 enjambements par chromosome → résolution par Mlh1/Exo1). Diplotène (séparation partielle, chiasmata visibles = points d'attache). Diacinèse (condensation maximale). Chez la femme : blocage en dictyotène (diplotène prolongé) depuis vie fœtale ~20 semaines → reprise à chaque ovulation pendant ~40 ans.
• Métaphase I — Bivalents (tétrades) alignés. Ségrégation indépendante : 2²³ ≈ 8,4 millions combinaisons chromosomiques possibles chez l'humain.
• Anaphase I — Séparation homologues (pas des chromatides !). Réduction chromatique 2n → n. Non-disjonction → trisomie 21 (1/800 naissances), 18, 13, XXY (Klinefelter), XO (Turner).
• Méiose II — Similaire à mitose sur cellules haploïdes. Séparation chromatides sœurs. Résultat : 4 spermatides (spermatogenèse, continu) ou 1 ovule + 3 globules polaires (ovogenèse, asymétrique).

Apoptose — mort cellulaire programmée

Processus actif, génétiquement programmé, essentiel au développement (membranes interdigitales : 50% des neurones meurent, trou du palais), homéostasie (renouvellement épithélium intestinal 3-5 jours, 200-300 milliards de cellules/jour dans le corps), défense (cellules infectées, tumorales). Phases : rétraction cellulaire, pycnose (condensation chromatine), fragmentation ADN (CAD, caspase-activated DNase, échelons 180 pb), bourgeonnement membrane → corps apoptotiques, phagocytose par macrophages (phosphatidylsérine externalisée = signal « mange-moi »). Aucune inflammation (contrairement à la nécrose).

Voie intrinsèque (mitochondriale) : stress → protéines pro-apoptotiques BH3-only (Bim, Bad, Puma, Noxa) → Bax/Bak oligomérisent membrane mitochondriale externe → cytochrome c libéré → apaf-1 + procaspase-9 = apoptosome → caspase-9 active → caspases exécutrices -3, -6, -7. Bcl-2 et Bcl-xL = anti-apoptotiques (surexprimés dans lymphomes folliculaires).

Voie extrinsèque (mort) : FasL/CD95L ou TNF-α se lient récepteurs Fas/TNFR1 → FADD/TRADD + procaspase-8 = DISC → caspase-8 active → caspases exécutrices. La voie extrinsèque peut aussi activer Bid (voie intrinsèque amplificatrice).

Signalisation cellulaire

Types de communication : Endocrine (hormones, sang, distance, lent mais durable — insuline, cortisol, T₃/T₄), paracrine (local, voisines — neurotransmetteurs, prostaglandines, facteur de croissance FGF/EGF/PDGF), autocrine (auto-stimulation — lymphocytes T activés, cellules tumorales), juxtacrine (contact direct — Notch/Delta, gap junctions connexines).

Transduction du signal : 3 étapes — réception (ligand + récepteur), transduction (cascade de phosphorylation), réponse (transcription, enzyme, cytosquelette). Amplification considérable : 1 épinéphrine → des millions d'enzymes activées.

Récepteurs : RCPG (~800 gènes, plus grande famille : β-adrénergiques, muscariniques, dopaminergiques, sérotoninergiques, rhodopsine, odorants). RTK (insuline, EGF, PDGF, FGF). Canaux ioniques (nicotinique, glutamate NMDA). Récepteurs nucléaires (stéroïdes, thyroïde, rétinoïde — agissent comme facteurs de transcription). Guanylate cyclase (ANP, NO). Toll-like (immunité innée).

Seconds messagers : AMPc (adenylyl cyclase → PKA), GMPc (NO → guanylyl cyclase → PKG), Ca²⁺ (IP₃ libère RE → calmoduline → CaMK), DAG + IP₃ (PLCβ → PKC). Voies majeures : MAPK/ERK (prolifération, différenciation), PI3K/Akt/mTOR (survie, croissance, métabolisme), JAK-STAT (cytokines, immunité), Wnt/β-caténine (développement, cellules souches), Hedgehog (morphogenèse), TGF-β/BMP (différenciation), Notch (destin cellulaire). Toutes les voies sont interconnectées (cross-talk).

Cellules souches et régénération

Potentiel : Totipotentes (zygote → tout + trophoblaste), pluripotentes (ES/EC → trois feuillets embryonnaires, pas annexes), multipotentes (hématopoïétiques CD34+ → érythrocytes/leucocytes/plaquettes), oligoporentes, unipotentes (hépatocytes, satellite musculaire).

Cellules iPS (Nobel Yamanaka 2012) : fibroblastes adultes + 4 facteurs Oct4/Sox2/Klf4/c-Myc → reprogrammation épigénétique → pluripotentes. Avantages : pas de destruction embryon, autologues (pas de rejet). Applications : modèle maladie (neurones parkinsoniens iPS en boîte), screening médicaments, thérapie cellulaire (essais cliniques macula iPS au Japon depuis 2014). Risques : c-Myc oncogène, intégration virale.

Organoides — mini-organes 3D en culture (Matrigel + facteurs). Cérébraux, intestinaux, hépatiques, rénaux, pancréatiques. Révolutionnent l'étude du développement et des maladies. Permettent de tester des médicaments sur tissu humain sans patient.

L'ADN : la molécule de l'hérédité

Double hélice antiparallèle (Watson, Crick, Franklin, Wilkins, 1953). Nucléotide = désoxyribose (C₅H₁₀O₄) + phosphate + base. Purines (double cycle) : Adénine A, Guanine G. Pyrimidines (cycle simple) : Thymine T, Cytosine C. Appariement Watson-Crick : A=T (2 liaisons H), G≡C (3 liaisons H). Diamètre hélice 2 nm, pas 3,4 nm (10 pb/tour). Grand et petit sillons pour protéines régulatrices. Longueur : 2 m/cellule, ~1000× aller-retour Terre-Soleil pour tout le corps humain. Stabilisée par empilement des bases (stacking interactions).

Caryotype humain — 23 paires de chromosomes

Gènes et chromosomes

Gène = segment d'ADN codant un produit fonctionnel (protéine, ARN). Humain : ~20 000-25 000 gènes (bien moins que les 100 000 estimés initialement !) sur 23 paires (46 chr : 22 paires autosomes + XX/XY). Génome : 3,2 milliards pb, ~1,5% codant seulement ! Le reste : promoteurs, enhanceurs, silencers, introns (~24%), éléments transposables LINE-1/SINE-Alu (~45%), séquences répétées, ARN non codants (miARN, siARN, lncARN, piARN). Projet Génome Humain (1990-2003, 3 milliards $). ENCODE (2012) : ~80% activité biochimique. Séquençage NGS (Next-Gen Sequencing) : génome complet en ~24h pour ~1000$.

Structure chromosomique : ADN + histones (H2A, H2B, H3, H4) = nucléosome (147 pb/tour). Chromatine 10 nm (collier de perles) → 30 nm (solenoid/sigzag) → boucles → chromosome condensé (700 nm-1,4 µm en métaphase). Télomères (TTAGGG)n aux extrémités protègent de la dégradation (raccourcissent à chaque division = horloge vieillissement). Centromères : attachement kinétochores. Chromosome 1 ~249 Mb (~2058 gènes), chromosome 21 ~47 Mb (~233 gènes, le plus petit).

Réplication de l'ADN (semi-conservative)

Meselson & Stahl (1958) ont prouvé la réplication semi-conservative. Processus en phase S :

• Origines (ORI) — Milliers chez eucaryotes, une (oriC, 245 pb) chez E. coli. ORC (Origin Recognition Complex, 6 sous-unités) se lie en G1. Licensing : Cdc6 + Cdt1 chargent MCM2-7 (hélicase). Ne peut se re-lier qu'au cycle suivant = une seule réplication par cycle.
• Initiation — CDK/DDK activent : MCM déroule (fourche de réplication). RPA (eucaryotes) / SSB (procaryotes) stabilisent brins séparés. Topoisomérase IIα (eucaryotes) / gyrase (E. coli) relâche surenroulement en amont. Inhibiteurs topoisomérases = anticancéreux majeurs (étoposide, irinotecan, doxorubicine).
• Amorçage — Primase (Pol α-primase eucaryotes, DnaG procaryotes) synthétise amorces ARN ~10 nt. Fournit 3'-OH libre indispensable à l'ADN Pol.
• Élongation — ADN Pol III holoenzyme (procaryotes, 10 sous-unités, ~1000 pb/s) ou Pol δ/ε (eucaryotes, ~50 pb/s). Synthèse 5'→3' uniquement. Brin directeur (leading) continu. Brin retardataire (lagging) : fragments d'Okazaki (100-200 nt eucaryotes, 1-2 kb procaryotes). Pol I (procaryotes) ou RNase H/FEN1 (eucaryotes) retirent amorces. ADN ligase I joint les fragments (NAD⁺ chez procaryotes, ATP chez eucaryotes). PCNA (sliding clamp) augmente processivité.
• Télomérase — Ribonucléoprotéine (TERT + ARN matrice) ajoute TTAGGG aux extrémités 3'. Compense le raccourcissement inhérent au problème de l'amorce finale. Active dans cellules souches, ~90% cancers (immortalité), germinal. Inhibiteurs télomérase (imetelstat) en essais anticancéreux. Nobel 2009 (Greider, Blackburn, Szostak).
• Correction (proofreading & réparation) — Exonucléase 3'→5' de Pol III/δ/ε corrige immédiatement. MMR (Mismatch Repair) : MutSα (MSH2/MSH6) détecte mésappariement → MutLα (MLH1/PMS2) recrute exonucléase → resynthèse. HNPCC (cancer colorectal héréditaire non polyposique) = mutations MMR. NER (Nucleotide Excision Repair) : répare lésions UV (thymine dimers). XP (xeroderma pigmentosum) = défaut NER. BER (Base Excision Repair) : glycosylases retirent bases modifiées (déamination, oxydation). DSBR (Double-Strand Break Repair) : HR (Homologous Recombination, RAD51, BRCA1/2) et NHEJ (Non-Homologous End Joining, Ku70/80, DNA-PKcs, ligase IV). Mutations BRCA1/2 → risque cancer sein/ovaire.

Dogme central : ADN → ARN → Protéine

Transcription (ARN Pol II chez eucaryotes) : Initiation — promoteur (TATA box -25, Inr, CAAT -80, GC -100, enhanceurs distaux) + facteurs généraux TFIID (TBP+TAF), TFIIA, TFIIB, TFIIF, TFIIE, TFIIH (hélicase + CTD kinase). Élongation 5'→3' à ~40 nt/s. Pol II a besoin de facteurs d'élongation (ELL, DSIF, NELF). Termination : signal poly-A (AAUAAA) + clivage. Maturation co-transcriptionnelle : coiffe 5' 7-méthyl-G (protège dégradation, nécessaire traduction) → épissage → polyadénylation 3' (~200 A). Épissage : épissosome U1-U6 snRNP reconnaît GU...AG. Épissage alternatif : 1 gène → plusieurs isoformes (~95% gènes multi-exoniques humains, ex : troponine T, DSCAM → 38 000 isoformes !). ARN Pol I (ARNr), Pol III (ARNt, 5S).

Code génétique — 64 codons, 61 codants (20 acides aminés + sélénocystéine UGA + pyrrolysine UAG), 3 stop (UAA ocre, UAG ambre, UGA opale). Start : AUG (Met). Redondance/dégénérescence : 2-6 codons/aa (Leu/Ser/Arg = 6). Quasi-universel (exceptions mitochondries : UGA = Trp, AUA = Met). Wobble position 3 : tolérance d'appariement (G-U accepté).

Traduction — Ribosome 80S (60S + 40S) eucaryote. ARNt (L inverse, ~75 nt, CCA 3' terminal) : anticodon + aa spécifique. Aminoacyl-ARNt synthétases (20, « deuxième code génétique ») : ATP + aa + ARNt → aminoacyl-ARNt (fidelité ~99,9%). Initiation : eIF4E (cap binding) + eIF4G (échafaudage) + eIF4A (hélicase) + 40S balaye 5'UTR → AUG (règle Kozak GCCACCAUGG) → 60S rejoint. Élongation : site A (aminoacyl) → P (peptidyl) → E (exit). eEF1A-ARNt-GTP entre A, peptidyl transférase (ARNr 28S = ribozyme !), translocation eEF2-GTP. Termination : facteurs eRF1/eRF3 reconnaissent stop, hydrolyse. Protéine naissante repliée par chaperonnes Hsp70/Hsp90/chaperonine TRiC. Polysome = plusieurs ribosomes sur un ARNm.

Régulation de l'expression génétique — Multi-niveaux : chromatinien (méthylation ADN CpG, modifications histones = « code histones » : acétylation H3K9ac = actif, méthylation H3K4me3 = promoteur actif, H3K9me3 = silencié, H3K27me3 = Polycomb), transcriptionnel (facteurs de transcription, enhanceurs/silencers, insulationurs/CTCF), post-transcriptionnel (épissage alternatif, ARN editing ADAR, localisation ARNm, stabilité/dégradation), traductionnel (miARN RISC inhibant, uORF, IRES), post-traductionnel (modifications PTM : phosphorylation, ubiquitination, SUMOylation, acéthylation, glycosylation, protéolyse). Les ARN non codants régulent tout : miARN (~22 nt, RISC), lncARN (Xist inactivation X), circARN (éponges à miARN), piARN (germinal).

Génétique mendélienne et au-delà

Lois de Mendel (1866) : 1) Uniformité F1 : croisement de lignées pures → F1 uniforme (dominant). 2) Ségrégation F2 : F1×F1 → 3:1 (monohybridisme), test cross 1:1. 3) Indépendance : dihybridisme → 9:3:3:1 (gènes non liés). Redécouvert en 1900 par de Vries, Correns, Tschermak.

Exceptions et extensions : Dominance incomplète (RR rouge × rr blanc → Rr rose), codominance (AB sanguin : IA et IB s'expriment), allèles multiples (IA, IB, i = 3 allèles, 6 génotypes, 4 phénotypes), gènes liés au sexe (daltonisme, hémophilie sur X), liaison génétique (gènes liés sur même chromosome → moins de recombinaison, distance en centiMorgans, carte génétique), crossing-over visible en tétrade (technique des asques chez Sordaria/Neurospora), épistasie (un gène masque un autre : albinisme, couleur LAB), pénétrance incomplète, expressivité variable, pléiotropie (1 gène → plusieurs effets : PKU, syndrome de Marfan), héritabilité polygénique (taille, QI, couleur peau). Effet de position, empreinte génomique (Prader-Willi/Angelman sur chr15, méthylation parent-spécifique).

Mutations et polymorphismes

• Substitution — Transition (purine↔purine, pyrimidine↔pyrimidine) ou transversion (purine↔pyrimidine). Silencieuse (synonyme), faux-sens (missense : changement aa, ex : HbS drépanocytaire Glu→Val position 6), non-sens (nonsense : codon stop prématuré → protéine tronquée).
• Insertion/délétion (indel) — Décalage du cadre de lecture (frameshift) si pas multiple de 3 → protéine totalement altérée en aval. Maladie de Huntington : expansion répétitions CAG (polyglutamine).
• Chromosomiques — Délétion (cri-du-chat 5p-), duplication, inversion (péricentrique, paracentrique), translocation (réciproque, Robertsonienne 14-21 → trisomie 21 familiale), aneuploïdie (non-disjonction : trisomies 21/18/13, monosomie X), polyploïdie (triploïdie 69 chr = avortement spontané).
• Mutagènes — UV (dimères pyrimidine), ionisant (cassures double brin), agents alkylants (moutarde azotée, EMS), analogues bases (5-bromouracile), aflatoxine (G→T, cancer foie), benzopyrène (tabac). Test d'Ames = détection mutagénicité bactérienne.
• Taux de mutation — ~10⁻⁸ par base par génération. ~70 nouvelles mutations de novo par enfant. La plupart silencieuses ou dans l'ADN non codant. Le cancer = accumulation de mutations somatiques (6-7 en moyenne pour transformer une cellule, Knudson two-hit hypothesis).

Génétique moléculaire moderne

PCR (Polymerase Chain Reaction, Kary Mullis, Nobel 1993) : dénaturation 95°C → hybridation amorces 55-65°C → élongation Taq Pol 72°C. Amplification exponentielle 2ⁿ copies. qPCR (quantitative), RT-PCR (rétrotranscription ARN→ADNc puis PCR), PCR digitale (absolue).

Séquençage — Sanger (1977, terminaison didésoxy, ~1000 pb, « gold standard »). NGS : Illumina (SBS, ~600 Gb/run, ~1000$/génome). Oxford Nanopore (MinION, lectures longues >100 kb, portable USB). PacBio (HiFi, lectures longues haute fidélité). 1000 Genomes Project. ClinVar = variants cliniques. GWAS (Genome-Wide Association Studies) = corrélations SNP/maladies.

CRISPR-Cas9 (Nobel Doudna & Charpentier 2020) — Système immunitaire bactérien adaptatif. Guide ARN (crRNA + tracrRNA = sgRNA, ~100 nt) dirige Cas9 endonucléase vers séquence cible (20 nt + PAM NGG). Clivage double brin → NHEJ (indels, knockout) ou HDR (knock-in avec matrice). Applications : modèles murins, thérapie génique (essais drépanocytose, β-thalassémie), agriculture (blé résistant oïdium, riz doré), drives génétiques. Variantes : Cas12 (crédits 5' overhang), Cas13 (ARN), base editing (C→T, A→G sans cassure), prime editing.

La théorie de l'évolution

Charles Darwin (L'Origine des espèces, 1859) : sélection naturelle. Individus avec traits avantageux survivent et se reproduisent davantage → fréquence allélique change dans la population. Wallace a convergé indépendamment. Catastrophisme (Cuvier) vs uniformitarisme (Lyell) vs transformisme (Lamarck : girafe étire son cou) vs sélection naturelle (Darwin). Synthèse moderne (1930-50) : Darwin + Mendel = néodarwinisme. Dobzhansky : « Rien n'a de sens en biologie si ce n'est à la lumière de l'évolution ».

L'arbre de la vie — phylogénie du vivant

Preuves de l'évolution

• Paléontologiques — Fossiles montrent succession chronologique. Archaeopteryx (dinosaure→oiseau), Tiktaalik (poisson→tétrapode), Australopithecus (bipédie). Datation : K-Ar, C¹⁴, uranium-plomb. Record fossile incomplet mais Lacune de Darwin comblée progressivement.
• Anatomiques — Homologies (membre pentadactyle : aile/baton/nageoire/patte = même plan structural, ancêtre commun). Analogies (ailes oiseau/insecte = convergentes, pas ancêtre commun). Organes vestigiaux (appendice, coccyx, muscles auriculaires, vitellin).
• Embryologiques — « L'ontogenèse récapitule la phylogenèse » (Haeckel, exagéré mais fond de vérité). Fentes branchiales et queue chez embryon humain. Gènes homéotiques Hox conservés.
• Moléculaires — Université du code génétique. Cytochrome c conservé. ARNr 16S (Woese, 3 domaines). Horloge moléculaire : accumulation mutations proportionnelle au temps. Hybridation ADN (Sibley-Ahlquist, oiseaux). Synonymes vs non-synonymes (dN/dS ratio).
• Biogéographiques — Marsupiaux Australie (isolation gondwanienne). Évolution insulaire (finches Galápagos, caméons Madagascar). Distribution Wallace Line.

Mécanismes de l'évolution

• Sélection naturelle — Directionnelle (phalènes bouleau, résistance antibiotiques), stabilisante (poids naissance humain), diversifiante/disruptive (becs finches). Sélection sexuelle (paon, dimorphisme). Sélection de parentèle (haplodiploïdie hyménoptères). Compétition (exclusion compétitive, niche écologique).
• Mutations — Source ultime de nouveauté. La plupart neutres ou délétères. Taux ~10⁻⁸/base/génération. Mutations germinales seules transmissibles. Hypermutation somatique (lymphocytes B = diversité anticorps). Transposons (McClintock, Nobel 1983, « jumping genes »).
• Dérive génétique — Fluctuations aléatoires fréquences alléliques. Effet fondateur (Amish, polydactylie). Effet bottleneck (guépards, faible diversité génétique). Plus fort dans petites populations. Neutralisme de Kimura : la plupart des substitutions sont neutres.
• Recombinaison — Crossing-over méiotique, assortment indépendant. Crée nouvelles combinaisons alléliques. Lieux de recombinaison hotspots (PRDM9).
• Flux génique (migration) — Échanges entre populations. Homogénéise. Barrières : géographiques, reproductives. Introgression (Néandertal → Homo sapiens : ~2% ADN).

Spéciation

Allopatrique (géographique) — Plus fréquent. Isolement géographique → dérive/sélection divergente → isolement reproductif. Ex : pinsons Darwin (14 espèces sur îles).

Sympatrique — Sans isolement géographique. Polyploïdie instantanée (plantes : triticale = blé × seigle). Spécialisation écologique (mouches Rhagoletis pomonella : pomme vs aubépine).

Parapatrique — Zone de contact étroite. Cline (variation graduelle). Hybridation limitée. Ex : crapauds Bombina.

Isolement reproductif — Prézygotique (habitat, temporel, comportemental — chants oiseaux, mécanique — génitalia insectes, gamétique — protéines lysine/bindin oursins). Postzygotique (inviabilité hybride, stérilité hybride — mule, dégradation hybride F2).

Classification phylogénétique

Cladistique (Hennig) : groupes monophylétiques seulement (ancêtre commun + tous descendants). Caractères dérivés partagés (synapomorphies). Paraphylétique = exclu (reptiles sans oiseaux). Polyphylétique = artificiel.

Histoire de la vie (chronologie)

• -4,6 Ga — Formation Terre
• -4,1 à -3,8 Ga — Apparition vie (stromatolites, LUCA : Last Universal Common Ancestor)
• -2,4 Ga — Grande Oxydation (cyanobactéries, O₂ atmosphérique = catastrophe pour anaérobies)
• -2,1 Ga — Eukaryogenèse (endosymbiose mitochondrie)
• -1,5 Ga — Apparition pluricellulaires (algues brunes/rouges)
• -600 Ma — Faune d'Ediacara (premiers animaux macro, Dickinsonia)
• -541 Ma — Explosion cambrienne (soudaine diversification, Burgess, Anomalocaris, trilobites)
• -470 Ma — Plantes colonisent terres (mousses)
• -375 Ma — Tiktaalik, poissons → tétrapodes
• -252 Ma — Extinction Permien (90% espèces, plus grande extinction, trap de Siberia)
• -230 Ma — Premiers dinosaures
• -200 Ma — Premiers mammifères
• -150 Ma — Archaeopteryx (premier oiseau)
• -130 Ma — Angiospermes (fleurs)
• -66 Ma — Extinction Crétacé (chicxulub, dinosaures non-aviens, 75% espèces)
• -7 Ma — Divergence homininés/chimpanzés (Sahelanthropus)
• -3,3 Ma — Lucy (Australopithecus afarensis, bipède)
• -2,5 Ma — Homo habilis (outils)
• -300 ka — Homo sapiens (Jebel Irhoud, Maroc)
• -50 ka — Art rupestre, sortie d'Afrique

Biodiversité

Estimé : 8,7 millions d'espèces eucaryotes (Mora et al. 2011), dont 86% terrestres, 91% océaniques encore à découvrir. 1,2 million décrites. 5 extinctions de masse passées + 6ème en cours (Holocene/Anthropocène). Taux actuel : 100-1000× le taux naturel. Causes : destruction habitats (première cause), surexploitation, espèces invasives, pollution, changement climatique. RCP 8.5 → +4,3°C → ~16% espèces perdus d'ici 2070. AI² = Atmospheric Infrared Sounder. 30×30 = protéger 30% surfaces d'ici 2030 (COP15 Montréal). Liste rouge IUCN : >42 100 espèces menacées sur 150 000 évaluées (28%).

Un écosystème forestier complexe

Qu'est-ce qu'un écosystème ?

Ensemble formé par une biocénose (communauté vivante) + biotope (milieu physique). Interactions : nutrition, compétition, symbiose, parasitisme, mutualisme, commensalisme. Écosystèmes majeurs : forêt tropicale (50% espèces sur 7% surface), savane, désert, toundra, océan (70% Terre), zones humides, récifs coralliens (hotspots biodiversité marine).

Populations et dynamique

Croissance exponentielle : dN/dt = rN (r = taux intrinsèque). Limitée par capacité de charge K : croissance logistique dN/dt = rN(1-N/K). Courbe sigmoïde. Stratégies r (petit corps, beaucoup descendants, pas de soins : bactéries, insectes, poissons) vs K (grand corps, peu descendants, soins parentaux : mammifères, oiseaux). Facteurs dépendant densité (compétition, prédation, maladie) vs indépendant (climat, catastrophe). Cycles proie-prédateur (Lotka-Volterra) : lynx-lièvre, lemmings. Métapopulations (Levins) : populations locales connectées migration.

Réseaux trophiques

• Producteurs primaires — Autotrophes. Plantes (photosynthèse), algues, cyanobactéries, chimiotrophes (sources hydrothermales : sulfure H₂S). Productivité primaire nette (PPN) : forêt tropicale ~2200 g/m²/an, océan ~125 g/m²/an.
• Consommateurs — Hétérotrophes. Primaire (herbivores : chenilles, lapins, zooplancton). Secondaire (carnivores 1 : araignées, grenouilles). Tertiaire (super-prédateurs : aigles, orques). Omnivores (homme, ours, sanglier). Détritivores (vers de terre, cloportes) → décomposeurs (bactéries, champignons).
• Règle des 10% — Seul ~10% de l'énergie passe d'un niveau au suivant. Pyramide énergétique : producteurs → herbivores → carnivores. 4-5 maillons maximum. Biomasse : terrestre = pyramidale, aquatique = inversée (phytoplancton turnover rapide).

Cycles biogéochimiques

Cycle du carbone — Réservoirs : océan (38 000 Gt C), roches (lithosphère 100 000 000 Gt), sol (1 500 Gt), atmosphère (870 Gt CO₂ ~420 ppm), biosphère (560 Gt). Flux : photosynthèse (~120 GtC/an), respiration (~119 GtC/an), combustion fossiles (~10 GtC/an), déforestation (~1,5 GtC/an). Océan pompe ~25% émissions anthropiques. Acidification océanique : CO₂ + H₂O → H₂CO₃, pH a baissé de 0,1 unité depuis préindustriel. Puits biologiques, pompe solubilité. Cycle long : weathering roches ↔ volcanisme ↔ sédimentation.

Cycle de l'azote — N₂ atmosphérique (78%, ~3,9 × 10¹⁵ t). Fixation : bactéries (Rhizobium nodules légumineuses, Azotobacter libre, cyanobactéries) et industrie Haber-Bosch (N₂ + 3H₂ → 2NH₃, 1-2% énergie mondiale !). Nitrification : NH₄⁺ → NO₂⁻ (Nitrosomonas) → NO₃⁻ (Nitrobacter). Assimilation plantes. Ammonification (décomposition). Dénitrification : NO₃⁻ → N₂ (Pseudomonas, zones anoxiques). Eutrophisation : excès N/P → blooms algaux → anoxie → mort poissons.

Cycle de l'eau — Évaporation océan (~86%), transpiration végétale (~10%), évaporation sol (~4%). Condensation → précipitation. Ruissellement (~35%), infiltration (~65%, eaux souterraines/aquifères). Évapotranspiration. Cycle propulsé énergie solaire. 97,5% eau salée, 2,5% douce dont 68,7% glaciers, 30,1% eaux souterraines, 0,3% surface accessible.

Cycle du phosphore — Sédiments rocheux → weathering → PO₄³⁻ → assimilation → chaîne alimentaire → décomposition. Lent (millions d'années). Pas de phase gazeuse (contrairement à C et N). Guano, phosphate rocheux (engrais). Limitant dans écosystèmes.

Biomes terrestres

• Forêt tropicale humide — 0-10° latitude, 25-28°C, >2000 mm/an. 50% espèces. Canopée à 40 m. Sol pauvre (latosol). Amazonie, Congo, Asie du Sud-Est.
• Savane — 10-20°, saison sèche/humide. Herbes + arbres dispersés (baobab, acacia). Grands herbivores (gnou, zèbre, éléphant). Serengeti, Cerrado.
• Désert — <250 mm/an. Adaptations : succulence (cactus), dormance, reins concentrating. Sahara, Atacama, Gobi. Couvre 33% terres émergées.
• Forêt tempérée caducifoliée — 30-60°, 4 saisons. Chêne, hêtre, érable. Sol riche (mull). Europe, Amérique Nord, Asie Est.
• Taïga (boréale) — 50-70°N, conifères (épinette, sapin, pin). Hiver long. Permafrost partiel. Plus grand biome terrestre (17%).
• Toundra — >70°N, pergélisol, pas d'arbres. Lichens, mousses, graminées. Caribou, lemming, bœuf musqué. Réchauffement 2-3× plus rapide que moyenne.

Écologie des communautés

Succession écologique — Primaire (terrain nu : lave, glacier → lichens/mousses → herbes → arbustes → forêt climax, ~100-1000 ans). Secondaire (après perturbation : feu, tempête, agriculture → plus rapide). Niche fondamentale (théorique) vs réalisée (observée, compétition). Principe d'exclusion compétitive (Gause) : 2 espèces ne peuvent cohabiter même niche. Niche partitioning (resource partitioning). Keystones species (étoile de mer Pisaster, loutre de mer, éléphant). Ingénieurs écosystémiques (castor, vers de terre). Espèces parapluie (ours blanc = protection Arctique entier).

Relations interspécifiques

• Mutualisme (++/++) — Pollinisation (abeille/fleur), mycorhizes (champignon/roots 90% plantes!), bactéries Rhizobium/légumineuses, algues/champignons = lichens, nettoyeurs (Labre/poisson).
• Commensalisme (+/0) — Barnacles sur baleine, épiphytes (orchidée sur arbre).
• Parasitisme (+/-) — Ténia, puces, tiques, plasmodium (paludisme), guêpe parasitoïde.
• Prédation (+/-) — Prédateur tue proie. Adaptations : camouflage, mimicry (Batesien non-toxique imite toxique, Müllerien toxiques se ressemblent), armures, venins, vitesse.
• Amensalisme (-/0) — Allélopathie (noyer juglone inhibe plantes voisines).
• Compétition (-/-) — Interspécifique. Ressources, territoire.

Conservation

Globules rouges transportant l'oxygène

🫁 Système respiratoire

Voies aériennes : nez → pharynx → larynx (cordes vocales) → trachée → bronches souches → bronches lobaires → bronchioles → bronchioles terminales → bronchioles respiratoires → canaux alvéolaires → alvéoles (~300-500 millions, surface ~70-100 m²). Échanges gazeux : O₂ diffuse alvéole → sang, CO₂ diffuse sang → alvéole. Loi de Fick : débit ∝ surface × ΔP / épaisseur. Surfactant (lécithine, dipalmitoylphosphatidylcholine, sécrété par pneumocytes type II à partir 28 SA) diminue tension superficielle, empêche affaissement alvéoles. Hémoglobine : 4 sous-unités (α₂β₂), 4 hèmes, coopérativité (courbe sigmoïde). 1 Hb lie 4 O₂. P₅₀ = 26,6 mmHg. Effet Bohr : pH ↓ (CO₂ ↑) → affinité ↓ → libération O₂. 2,3-DPG ↓ affinité. CO (monoxyde carbone) affinité 250× > O₂. Ventilation : ~12-20/min au repos, ~6 L/min. VEMS/CVF = index obstruction (asthme, BPCO). Spirométrie.

Anatomie du cœur humain

❤️ Système cardiovasculaire

Cœur : 4 cavités, ~300 g, bat 100 000×/jour, pompe ~7 500 L/jour. Cycle cardiaque : systole auriculaire (0,1 s) → systole ventriculaire (0,3 s, phase isovolumétrique puis éjection) → diastole (0,4 s, remplissage). Pressions : aorte 120/80 mmHg, ventricule droit 25/5. Bruits : S1 (fermeture mitrale/tricuspide), S2 (aortique/pulmonaire). Conduction : nœud sinusal SA (pacemaker, 60-100 bpm, pace-maker current I_f) → AV (40-60) → faisceau His → Purkinje. ECG : P (dépolarisation atriale), QRS (dépolarisation ventriculaire), T (repolarisation ventriculaire). Artères → artérioles (résistance) → capillaires (échanges, ~25 000 km longueur totale !) → veinules → veines (capacité, 60-70% volume sanguin). Pression artérielle = débit cardiaque × résistance vasculaire périphérique. Réflexes : baroréflexe (carotidien/aortique), chémoréflexe. Système RAA (rénine-angiotensine-aldostérone). Fibrillation atriale = arythmie la plus fréquente. Infarctus = occlusion coronaire, troponine marqueur.

🧠 Système nerveux

Cerveau : ~86 milliards neurones, ~85 milliards cellules gliales, ~1,4 kg, consomme 20% O₂/énergie. Cortex : 2-4 mm, 6 couches, ~16 milliards neurones, surface ~2500 cm² (plié). Aires fonctionnelles : frontale (exécutif, décision, Broca), pariétale (sensibilité, spatial), temporale (audition, mémoire, Wernicke), occipitale (vision). Hypothalamus : homéostasie (température, faim, soif, sommeil, endocrinien). Hippocampe : mémoire à long terme, neurogenèse adulte. Amygdale : émotions, peur. Cervelet : coordination motrice, apprentissage, ~69 milliards granule cells (plus de neurones que le cortex !). Tronc cérébral : respiration, cœur, conscience. Moelle épinière : 31 paires nerfs rachidiens, réflexes (rotulien L3-L4, achilléen S1-S2).

Neurone — Corps cellulaire (soma) + dendrites (réception) + axone (conduction, jusqu'à 1m) + terminaisons (synapse). Potentiel de repos : -70 mV (Na⁺/K⁺-ATPase + fuite K⁺). PA : dépolarisation seuil (-55 mV) → ouverture Na⁺ voltage → +30 mV → ouverture K⁺ → repolarisation → hyperpolarisation. Loi du tout ou rien. Période réfractaire. Vitesse : 0,5-120 m/s selon diamètre et myéline (Schwann PNS, oligodendrocyte CNS). Nœuds de Ranvier = conduction saltatoire.

Synapse — Chimique : Ca²⁺ entre canaux voltage → exocytose vésicules neurotransmetteurs → récepteurs postsynaptiques. Excitateurs : glutamate (AMPA, NMDA), ACh nicotinique. Inhibiteurs : GABA_A (Cl⁻), glycine. Modulateurs : dopamine, sérotonine, noradrénaline. Électrique : gap junctions (connexines), rapide, bidirectionnelle. Plasticité synaptique : LTP (long-term potentiation, Hebb, mémoire), LTD (dépression). Neuromodulateurs : endorphines, endocannabinoïdes, NO.

Cellules du système immunitaire

🛡️ Système immunitaire

Inné (rapide, non-spécifique) : barrières (peau pH 5,5, mucus, lysozyme larmes/salive, acidité gastrique pH 2), cellules : phagocytes (macrophages, neutrophiles : 60% GB, meurent en libérant NETs), cellules dendritiques (APC principal, activation adaptatif), NK (Natural Killer : tue cellules sans CMH I, tumorales/virales), mastocytes (histamine, allergie), éosinophiles (parasites), basophiles. Complément : ~30 protéines, cascade, opsonisation C3b, lyse MAC C5-9, chimiotactisme C5a, inflammation. Inflammasome (NLRP3) → IL-1β. TLR (Toll-Like Receptors) : LPS, flagelline, CpG, dsRNA. CRP marqueur inflammation.

Adaptatif (lent, spécifique, mémoire) : lymphocytes B (moelle osseuse) → plasmocytes (anticorps) + mémoire B. Anticorps (IgG, IgM, IgA, IgE, IgD) : 2 bras Fab (antigène) + queue Fc. IgG = 75%, traverse placenta. IgM = primaire, pentamère. IgA = muqueuses, sécrétoire. IgE = allergie/parasite. Commutation isotypique (CSR). Hypermutation somatique (SHM) → affinité croissante. Lymphocytes T (thymus) : CD4+ helper (Th1 = cellulaire/intracellulaire, Th2 = humoral/parasite, Th17 = muqueuses/ATL, Treg = tolérance/auto-immunité CD25+FoxP3), CD8+ cytotoxique (tue cellules infectées/tumorales via perforine/granzyme B ou FasL). CMH I (toutes cellules nucléées, présente peptides intracellulaires → CD8) et CMH II (APC seulement, présente peptides extracellulaires → CD4). Sélection positive et négative thymique. Mémoire : cellules mémoire centrales (Tcm) et effectrices (Tem).

Vaccination — Principe : exposer à antigène inoffensif → mémoire immunitaire. Types : vivant atténué (ROR, BCG, varicelle), inactivé (polio Salk, grippe), sous-unité/protéine (HBV, HPV, coqueluche acellulaire), ARNm (COVID-19 Pfizer/Moderna : lipide nanoparticle → traduction cellule → protéine spike → immunité), vecteur viral (AstraZeneca J&J : adénovirus modifié). Edward Jenner 1796 (variole/vache). Éradication variole 1980. Calendrier vaccinal.

Anatomie du système digestif humain

🍽️ Système digestif

Tube digestif 9m : bouche → œsophage (péristaltisme, 8-10 s) → estomac (1-4 h, pH 1,5-3,5, pepsine, lipase gastrique, chymosine nourrisson, barrière mucale, cellules pariétales HCl/facteur intrinsèque B12, cellules principales pepsinogène, G histamine/gastrine, D somatostatine) → duodénum (bicarbonate pancréas, bile foie, entérokinase active trypsinogène) → jéjunum (absorption principale, villosités + microvillosités, surface ~200 m², transporteurs SGLT1/GLUT2/GLUT5, peptide transporter PepT1) → iléon (vitamine B12 + sels biliaires, plaques Peyer/GALT) → côlon (1,5 m, réabsorption eau Na⁺, flore 10¹⁴ bactéries/500 espèces, fermentation fibres → SCFA butyrate/propionate/acétate, vitamines K/B), rectum. Foie : 500+ fonctions (détOX phase I CYP + phase II conjugaison, synthèse albumine/fibrinogène, bile 500-1000 mL/j, stockage glycogène/fer/vitamine A, gluconéogenèse). Pancréas : exocrine (enzymes : amylase, lipase, trypsine/chymotrypsine, DNase/RNase, bicarbonate) + endocrine (îlots Langerhans : α glucagon, β insuline, δ somatostatine, PP/F).

Le squelette humain — 206 os

🦴 Système squelettique

206 os adulte. Axial (80) + appendiculaire (126). Types : long (fémur), court (carpe), plat (crâne), irrégulier (vertèbre), sésamoïde (rotule). Structure : os compact (ostéones Havers) + spongieux (trabécules, moelle rouge hématopoïétique). Cellules : ostéoblastes (construction, collagène I + hydroxyapatite Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), ostéocytes (maintenance, canaliculi), ostéoclastes (résorption, pompe H⁺ acidifie, cathepsine K, RANKL → ostéoclastogenèse, ostéoprotégérine OPG inhibe). Remodelage permanent : cycle 4-8 ans tout squelette renouvelé. Ostéoporose : densité ↓, fractures. Calcium : 99% dans os, PTH ↑ Ca²⁺ sanguin (ostéoclastes, rein réabsorption, vitamine D calcitriol). Vitamine D : peau UV → foie 25(OH)D → rein 1,25(OH)₂D (calcitriol). Croissance : cartilage de croissance (physe : repos → prolifération → hypertrophie → calcification → ossification), soudure ~18-25 ans.

Fibres musculaires striées au microscope

💪 Système musculaire

3 types : squelettique (strié, volontaire, ~40% masse corporelle), cardiaque (strié, involontaire, syncitium, pace-maker), lisse (involontaire, viscères, vaisseaux). Sarcomère = unité contractile : Z line → bande I (actine seule) → bande A (myosine ± actine) → bande H (myosine seule) → M line. Protéines : actine (G → F, troponine TnC/Ca²⁺/TnI/TnT + tropomyosine), myosine II (têtes ATPase, cross-bridges). Théorie filaments glissants (Huxley 1954) : Ca²⁺ libéré réticulum sarcoplasmique (via DHPR/ryanodine RYR1) → fixe troponine C → découvre sites actine → cross-bridge cycle (attachement → power stroke → détachement → recocking). ATP nécessaire pour DÉTACHEMENT (rigor mortis = plus d'ATP). Types fibres : I (lentes, oxydatives, endurance, rouge, mitochondries) vs IIa (intermédiaires) vs IIx/IIb (rapides, glycolytiques, force, blanches). Source ATP : phosphocréatine (10 s), glycolyse anaérobie (1-2 min, acide lactique), oxydation aérobie (illimité). Sommeau motoriel : recrutement spatial + fréquentiel. Hypertrophie vs hyperplasie. Duchenne = dystrophine absente (myopathie, X-linked).

🧪 Système endocrinien

Glandes et hormones majeures : hypothalamus (GnRH, TRH, CRH, GHRH, dopamine/PRIH, ADH, ocytocine) → hypophyse antérieure (FSH, LH, TSH, ACTH, GH, prolactine) et postérieure (ADH/van Everdingen, ocytocine). Thyroïde : T₃/T₄ (métabolisme basal, croissance, développement cérébral), calcitonine. Parathyroïdes : PTH. Surrénales : cortisol (stress, gluconéogenèse), aldostérone (Na⁺/K⁺), androgènes DHEA, adrénaline/noradrénaline (médullosurrénale). Pancréas : insuline (↓ glycémie, GLUT4, stockage) et glucagon (↑ glycémie). Gonades : testostérone, œstradiol, progestérone. Cœur : ANP. Rein : érythropoïétine (EPO). Tissu adipeux : leptin (satiété), adiponectine. Thymus : thymosines. Os : ostéocalcine. Hormones peptidiques (insuline = 51 aa, récepteur membrane) vs stéroïdes/thyroïdiennes (récepteur nucléaire intracellulaire). Feedback négatif (thyroïde, cortisol). Diabète type 1 (auto-immun, β-cellules) vs type 2 (insulinorésistance, épidémie mondiale, 537 millions). Cushing = hypercortisolisme. Addison = insuffisance surrénale.

💧 Système urinaire

Reins : 2 × ~150 g, ~1 million néphrons chacun. Débit sanguin rénal = 20-25% débit cardiaque. Filtration glomérulaire : ~180 L/jour (DFG ~125 mL/min). Barrière filtration : endothélium fenêtré + membrane basale GBM + podocytes pedicels. Réabsorption tubulaire : 99% filtrat réabsorbé. Tube proximal (65% Na⁺/H₂O, 100% glucose/aa/HCO₃⁻). Anse de Henle (contre-courant, gradient osmotique médullaire). Tube distal (Ca²⁺ PTH, K⁺ aldostérone, acidification H⁺). Collecting duct (ADH → aquaporines AQP2, concentration urines). Juxtaglomérulaire : rénine (système RAA). Érythropoïèse (EPO). Activation vitamine D. Urées, créatinine (marqueur DFG), acide urique. Dialyse si DFG <15. Rein artificiel vs transplantation.

Bactéries en microscopie fluorescence

Les bactéries

Organismes procaryotes unicellulaires. Formes : coques (sphériques : staphylocoques grappes, streptocoques chaînes, diplocoques paires), bacilles (bâtonnets), spirilles (ondulés), spirochètes (hélicoïdaux : Tréponème syphilis). Gram+ (peptidoglycane épais, bleu/violet) vs Gram- (peptidoglycane mince + membrane externe LPS, rose/rouge). Culture : gélose, bouillon, milieux sélectifs (MacConkey). Métabolismes : aérobie strict (Pseudomonas), anaérobie strict (Clostridium), aéro-anaérobie facultatif (E. coli), microaérophile (Campylobacter). Résistance : endospores (Bacillus, Clostridium : résistent ébullition, rayons, désinfectants). Biofilms (Pseudomonas aeruginosa, résistance aux antibiotiques 1000×). Antibiotiques : β-lactames (pénicillines, céphalosporines → inhibent synthèse paroi), macrolides (érythromycine → ribosome 50S), fluoroquinolones (cipro → ADN gyrase), aminoglycosides (gentamicine → ribosome 30S), tétracyclines, glycopeptides (vancomycine). Résistance : β-lactamases (ESBL), pompe efflux, modification cible (MRSA = PBP2a), enzymes NDM-1/KPC (carbapénèmases). MARSA, ESKAPE pathogens.

Structure d'une particule virale

Les virus

Entités biologiques obligatoirement parasitaires. Structure : génome (ARN ou ADN, simple ou double brin, linéaire ou circulaire) + capside (protéique, symétrie icosaédrique ou hélicoïdale) ± enveloppe lipidique (issu membrane hôte). Taille : 20-300 nm. Pas de métabolisme propre = pas vivants au sens classique. Classification Baltimore (7 groupes) : dsDNA (herpès, adénovirus), ssDNA (parvovirus), dsRNA (rotavirus), (+)ssRNA (poliovirus, SARS-CoV-2, HCV), (-)ssRNA (grippe, rage, Ebola,麻疹), retrovirus (HIV, HTLV), hepadnavirus (HBV). Cycle lytique (destruction cellule) vs lysogénique (intégration génome = provirus, ex : phage λ). VIH : retrovirus, reverse transcriptase → ADN proviral → intégration (integrase) → transcription → traduction → assemblage → bourgeonnement. Cible CD4+ T + CCR5/CXCR4. Charge virale, CD4 count. SARS-CoV-2 : (+)ssRNA, enveloppe spike S, récepteur ACE2, ARN Pol RdRp. Vaccins ARNm.

Les champignons (mycologie)

Eucaryotes hétérotrophes absorbotrophes. Paroi chitine/β-glucane. Levures (unicellulaires : Saccharomyces cerevisiae, Candida albicans dimorphique) et moisissures (filamenteux : mycélium, hyphes). Reproduction : spores sexuées et asexuées. Mycoses superficielles (pied d'athlète Trichophyton, candida muguet) à profondes/invasives (Aspergillus, Cryptococcus, Pneumocystis → immunodéprimés). Antifongiques : azolés (fluconazole → ergostérol), amphotéricine B, échinocandines (caspofungine → paroi). Rôles : décomposition (recyclage), symbiose mycorhizes (90% plantes), alimentation (champignons, levure pain/bière), antibiotiques (pénicilline de Penicillium), fromages (Penicillium roqueforti/camemberti). Pleurotes décomposent pétrole. Neurospora crassa = modèle génétique.

Les protistes

Eucaryotes unicellulaires « fourre-tout ». Algues (diatomées, euglènes, dinoflagellés → blooms/red tides), protozoaires (amibes Entamoeba histolytica, flagellés Giardia/Leishmania/Trypanosoma, ciliés Paramecium, sporozoaires Plasmodium malaria). Parasitoses majeures : paludisme (Plasmodium falciparum/vivax, anophèle, 247 millions cas/an, 619 000 morts, sub-Sahara), leishmaniose (phlébotome), maladie de Chagas (Trypanosoma cruzi, reduviidae), giardiase, toxoplasmose (Toxoplasma gondii, chat, danger grossesse).

Classification des plantes

• Bryophytes (mousses, hépatiques) — Pas de vaisseaux, pas de vraies racines. Gamétophyte dominant. Absorption directe. Environ 20 000 espèces. Pionnières.
• Fougères (ptéridophytes) — Vaisseaux (xylème/phloème). Sporophyte dominant. Spores. Frondes. ~10 500 espèces. Carbonifère → charbon.
• Gymnospermes (conifères, ginkgo) — Graines nues. Pas de fleurs/fruits. Pollen vent. Résine. ~1000 espèces. Les plus grands/tous organismes (séquoia 115 m, pin Bristlecone 5000 ans).
• Angiospermes (~300 000 espèces, 90%) — Graines dans fruit. Fleurs. Pollinisation insecte/vent/oiseau. Double fécondation. Monocotylédones (1 cotylédon, feuilles parallèles, graminées/orchidées/liliacées) vs dicotylédones (2 cotylédons, feuilles ramifiées, rosacées/fabacées/astéracées).

Le processus de photosynthèse

Photosynthèse en détail

Réactions lumineuses (membrane thylakoïdienne) : PSII (P680, clivage photolytique H₂O → 2H⁺ + ½O₂ + 2e⁻ via cluster Mn₄CaO₅) → plastoquinone PQ → complexe cytochrome b₆f (pompe H⁺) → plastocyanine PC → PSI (P700, excite e⁻) → ferrédoxine Fd → FNR → NADP⁺ réductase → NADPH. Gradient H⁺ → ATP synthase → ATP. Photophosphorylation non-cyclique (standard) et cyclique (PSI seul → ATP supplémentaire).

Cycle de Calvin (stroma) : Phase 1 — Carboxylation : Rubisco (RuBisCO = ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, enzyme la plus abondante sur Terre ~500 millions tonnes !) fixe CO₂ sur ribulose-1,5-bisP → intermédiaire 6C instable → 2 × 3-phosphoglycérate (3-PGA). Phase 2 — Réduction : 3-PGA → 1,3-bisphosphoglycérate (ATP) → glycéraldéhyde-3-P (G3P, NADPH). Phase 3 — Régénération : 5 G3P sur 6 → ribulose-1,5-bisP (série réarrangements, ATP). 1 G3P net = sortie = matière organique. Pour 1 glucose : 6 CO₂ + 18 ATP + 12 NADPH. Photorespiration : Rubisco peut aussi fixer O₂ (O₂ase) → gaspillage, ↑ avec T° et ↓ CO₂. Adaptations : C4 (maïs, canne à sucre : séparation spatiale Kranz anatomy, PEP carboxylase → malate → gaine → CO₂ concentré) et CAM (cactus : séparation temporelle, fixent CO₂ nuit → malate → jour photosynthèse stomates fermés).

Anatomie végétale

Racine — Coiffe (statocytes, gravitropisme), zone de division (méristème apical), zone d'élongation, zone de différenciation (poils absorbants = augmentation surface ×100). Xylème (eau + minéraux ↑, cellules mortes, lignine) et phloème (sève élaborée sucres ↓/↑, cellules criblées vivantes, cellules compagnes). Endoderme = casque de Caspary (subérine) = contrôle selectif. Stèle. Racines latérales = péricycle.

Tige — Épiderme (cuticule cire), cortex, faisceaux vascularires (collatéraux), moelle. Cambium = méristème secondaire → bois (xylème II) et liber (phloème II). Cernes croissance. Bois = vaisseaux + fibres + rayons. Lenticelles = échange gazeux.

Feuille — Limbe + pétiole. Épiderme sup/inf (cuticule, stomates guard cells K⁺, ~300/mm²). Mésophylle palissadique (photosynthèse principale) et lacuneux (échanges gazeux). Nervures (vaisseaux). Transpiration ~90% eau absorbée. Flux transpiration = force qui tire l'eau depuis racines (cohésion-tension, tension ~-1 MPa). Pression racine (guttation).

Hormones végétales (phytohormones)

• Auxine (IAA) — Croissance élongation cellulaire (théorie croissance acide : expansion par pH ↓ → expansines). Dominance apicale. Tropismes (phototropisme, gravitropisme). Racines. Transport polarisé PIN proteins.
• Gibbérellines (GA) — Élongation tige, germination (amylase dans grain), floraison. Riz semi-nain = mutation GA pathway → Révolution Verte (Borlaug, Nobel Paix 1970).
• Cytokinines — Division cellulaire (cytokinesis), sénescence retardée, développement pousses. Ratio auxine/cytokinine détermine organogenèse (culture tissus : ↑auxine = racines, ↑cytokinine = pousses).
• Éthylène — Seule hormone gazeuse. Maturation fruits (climactériques : banane, tomate, pomme), sénescence fleurs, réponse pathogènes. Épinastie. Commercial : mûrissement forcé.
• Acide abscissique (ABA) — Stress hydrique → fermeture stomates (↑Ca²⁺, ↑NO, efflux K⁺/Cl⁻ guard cells). Dormance graines. Inhibiteur croissance.
• Acide jasmonique (JA) — Défense herbivores (inhibiteurs protéases, toxicité), réponse blessure, système de signal volatile plante-plante.
• Acide salicylique (SA) — Défense pathogènes, SAR (Systemic Acquired Resistance), résistance systémique. Précurseur aspirine !
• Brassinostéroïdes — Croissance, division, résistance stress.
• Strigolactones — Inhibition ramification pousses, signal mycorhizes.