Biologie A-Level

Les cellules 细胞 sont très petites, donc vous ne pouvez pas les voir à l'œil nu. Vous utilisez un microscope 显微镜 pour agrandir leur image. Le premier type que vous rencontrez est le microscope optique 光学显微镜. Il fait passer la lumière à travers un spécimen 标本 mince (le matériau que vous observez) et utilise des lentilles en verre pour agrandir la vue.

Préparer une lame et dessiner ce que vous voyez

Pour observer du matériel vivant, vous faites une préparation temporaire 临时装片. Vous placez un petit morceau mince de matériel sur une lame de verre porteur 载玻片, ajoutez une goutte de colorant 染色剂 (un liquide coloré qui rend certaines parties plus visibles), puis abaissez une fine lamelle 盖玻che par-dessus pour l'aplatir et exclure l'air.

Lorsque vous dessinez des cellules à partir d'une lame ou d'une photographie, suivez ces règles simples :

• utilisez un crayon bien taillé et des traits clairs et simples (pas de hachures).
• ne dessinez que ce que vous pouvez réellement voir, avec les parties aux bonnes tailles.
• étiquetez les parties avec des lignes droites qui ne se croisent pas.

Grossissement et taille réelle

Le grossissement 放大倍数 indique combien de fois l'image est plus grande que l'objet réel. Il n'a pas d'unité. On le trouve avec une seule équation :

Vous pouvez réarranger celle-ci pour trouver n'importe quelle valeur à partir des deux autres :

Le haut et le bas de la fraction doivent utiliser la même unité. Les cellules sont minuscules, donc vous travaillez avec de petites unités :

• $1\ \text{mm} = 1000\ \text{micrometre}$ 微米 (µm)
• $1\ \text{µm} = 1000\ \text{nanometre}$ nanomètres (nm)
• donc $1\ \text{mm} = 1\,000\,000\ \text{nm}$.

Exemple résolu. Dans une photomicrographie à un grossissement de $5000$, un chloroplaste 叶绿体 mesure $25\ \text{mm}$ de large. Sa taille réelle est

La même équation fonctionne pour les dessins, les photomicrographies 显微照片 (photos prises à travers un microscope optique) et les électrographies 电子显微照片 (les photos les plus détaillées, expliquées ci-dessous). Convertissez toujours d'abord dans la même unité, puis divisez.

Reticule oculaire et micromètre de scène

Pour mesurer une vraie cellule au microscope, vous utilisez un réticule oculaire 目镜测微尺 — une petite échelle à l'intérieur de l'oculaire. Ses graduations n'ont pas de taille fixe, donc vous devez d'abord les calibrer 校准 (déterminer ce que vaut une graduation).

Vous calibrez en utilisant un micromètre de scène 载物台测微尺 — une lame spéciale avec une échelle précise dessus (souvent $1\ \text{mm}$ divisée en $100$ parties, donc chaque partie est $10\ \text{µm}$). Vous alignez les deux échelles, comptez combien de graduations du réticule correspondent à une longueur connue, et divisez. Une fois calibré, vous pouvez insérer votre spécimen et le mesurer avec le réticule.

Résolution et grossissement

Ces deux mots sont faciles à confondre. L'examinateur donne des points pour la différence.

• Le grossissement est le nombre de fois que l'image est plus grande que l'objet.
• La résolution 分辨率 est la plus petite distance entre deux points qui permet encore de les voir comme deux points distincts.

Agrandir une image ne montre pas toujours plus de détails. Au-delà d'un certain point, vous obtenez simplement une image plus grande mais floue. La résolution définit la limite réelle des détails.

Un microscope optique a une résolution inférieure car la lumière a une longueur d'onde 波长 relativement longue. Un microscope électronique 电子显微镜 utilise des faisceaux d'électrons 电子 au lieu de la lumière. Les électrons ont une longueur d'onde beaucoup plus courte, donc la résolution est bien supérieure et vous pouvez voir des structures très petites à l'intérieur de la cellule. Il existe deux types : balayage 扫描 (montre la surface en 3D) et transmission 透射 (passe les électrons à travers une tranche mince pour montrer les détails internes).

Les cellules végétales et animales sont des cellules eucaryotes 真核细胞 : leur ADN est conservé dans un noyau 细胞核. À l'intérieur de la cellule se trouvent de nombreuses petites parties appelées organites 细胞器, chacun ayant sa propre fonction. Le fluide gélatineux qui les entoure est le cytoplasme 细胞质.

Dans une photomicrographie ou une microphotographie électronique, vous identifiez les organites par leur forme, leur taille et leur position ; sur un dessin, vous représentez leurs contours et les légendez.

Les cellules utilisent l'ATP produite lors de la respiration comme source d'énergie pour chaque tâche nécessitant de l'énergie, comme la fabrication de protéines, le transport de substances et la division.

Comparaison des cellules végétales et animales

Elles possèdent toutes deux une membrane plasmique, un cytoplasme, un noyau, des mitochondries, des ribosomes, du RE et un appareil de Golgi.

Une cellule procaryote 原核细胞, comme une bactérie 细菌, est beaucoup plus petite et plus simple qu'une cellule eucaryote. Ses caractéristiques principales sont :

• unicellulaire 单细胞 — c'est une cellule unique.
• généralement large de $1$–$5\ \text{µm}$.
• une paroi cellulaire constituée de peptidoglycane 肽聚糖 (et non de cellulose).
• ADN circulaire libre dans le cytoplasme — il n'y a pas de noyau.
• $70\text{S}$ ribosomes (plus petits que ceux du $80\text{S}$ dans le cytoplasme des eucaryotes).
• pas d'organites entourés d'une double membrane — donc pas de noyau, pas de mitochondries ni de chloroplastes.

Comparaison des cellules procaryotes et eucaryotes

Tous les virus 病毒 sont non cellulaires 非细胞 — ils ne sont pas constitués de cellules. Chaque virus est composé de seulement deux ou trois parties :

• un centre de lishé 核酸, qui est soit de l'ADN soit de l'ARN (jamais les deux).
• une capside protéique autour du centre appelée capside 衣壳.
• chez certains virus, une enveloppe externe enveloppe 包膜 constituée de phospholipides 磷脂.

Un virus n'a pas de cytoplasme, pas d'organites ni de ribosomes. Il ne peut pas respirer ni fabriquer ses propres protéines. Il ne peut se copier qu'à l'intérieur d'une cellule hôte 宿主 vivante, il se situe donc à la limite de ce que nous considérons comme "vivant".

• Grossissement $=$ taille image $\div$ taille réelle — convertissez les unités d'abord ($\text{mm} \leftrightarrow \mu\text{m} \leftrightarrow \text{nm}$), puis réarrangez pour trouver la valeur inconnue.
• Distinguez le grossissement (combien de fois plus grand) de la résolution (plus petite distance encore visible comme deux points) ; les microscopes électroniques résolvent mieux car les électrons ont une longueur d'onde plus courte.
• Donnez à chaque organite une paire structure + fonction (ex. mitochondrie : membrane interne repliée → respiration aérobie).
• Énoncez exactement les différences procaryote vs eucaryote : pas de noyau, ribosomes plus petits (70S), pas d'organites membranaires, ADN circulaire.
• Les virus sont non-vivants — décrivez-les uniquement par leur capside, leur matériel génétique et (parfois) une enveloppe.

Les êtres vivants sont constitués de quatre grandes familles de molécules 分子 : les glucides 碳水化合物, les lipides 脂质, les protéines 蛋白质 et les lishés 核酸. Vous pouvez utiliser des tests chimiques simples pour déterminer quelles catégories sont présentes dans un échantillon.

Test semi-quantitatif de Benedict

Le test normal de Benedict indique uniquement "oui ou non". Un test semi-quantitatif 半定量 donne une approximation de la quantité. D'abord, vous standardisez 标准化 le test : vous l'effectuez sur des solutions de concentration 浓度 connues et enregistrez le résultat pour chacune. Ensuite, vous pouvez estimer une concentration inconnue soit par :

• le temps avant le premier changement de couleur (plus de sucre change de couleur plus vite), ou
• la comparaison de la couleur finale avec votre série d'étalons colorimétriques.

Tests de sucres non réducteurs

Certains sucres, comme le saccharose, sont des sucres non réducteurs 非还原糖 : ils donnent un test de Benedict négatif. Pour les détecter :

1. Faites d'abord un test normal de Benedict. Il reste bleu (pas de sucre réducteur).
2. Prenez un nouvel échantillon et ajoutez de l'acide chlorhydrique dilué 盐酸, puis chauffez. Cette hydrolyse acide décompose le sucre en sucres réducteurs plus petits.
3. Refroidissez, puis neutralisez 中和 l'acide avec du bicarbonate de sodium.
4. Effectuez maintenant le test de Benedict à nouveau. Une couleur rouge brique indique la présence d'un sucre non réducteur.

Exemple résolu. Une solution donne un test de Benedict négatif. Elle est ensuite bouillie avec de l'acide chlorhydrique dilué, neutralisée avec du bicarbonate de sodium, et re-testée avec le réactif de Benedict — elle devient alors brique-rouge. Qu'y avait-il, et pourquoi chaque étape est-elle nécessaire ? Le premier résultat négatif élimine la présence d'un sucre réducteur. La bouillie avec l'acide hydrolyse la liaison glycosidique, scindant un sucre non réducteur tel que le saccharose en ses monosaccharides réducteurs. L'étape de neutralisation est essentielle car le réactif de Benedict ne fonctionne qu'en milieu alcalin — si on l'omet, le test échoue même si du sucre est présent. Le test positif qui suit indique donc qu'un sucre non réducteur était bien là tout au long. Citer le premier, négatif test fait partie de la réponse : sans lui, la couleur rouge finale ne permet pas de distinguer un sucre non réducteur d'un sucre réducteur.

Monomères, polymères et macromolécules

• un monomère 单体 is a small molecule that is a single unit.
• un polymère 聚合物 is a long molecule made of many monomers joined together.
• une macromolécule 大分子 is any very large molecule.

Les sucres se présentent en trois tailles :

• un monosaccharide 单糖 is a single sugar unit, such as glucose 葡萄糖 and fructose.
• un disaccharide 二糖 is two units joined, such as maltose and sucrose.
• un polysaccharide 多糖 is many units joined into a polymer.

Le glucose, la fructose 果糖 et le maltose 麦芽糖 sont des sucres réducteurs. Le sucrose 蔗糖 est un sucre non réducteur.

Deux formes cycliques du glucose

Le glucose possède six atomes de carbone et forme un anneau. Il existe deux formes cycliques. Elles diffèrent uniquement au niveau du carbone 1 :

• dans l'α-glucose, le groupe –OH sur le carbone 1 pointe vers le bas, sous l'anneau.
• dans le β-glucose, le groupe –OH sur le carbone 1 pointe vers le haut, au-dessus de l'anneau.

Cette petite différence détermine quel polysaccharide le glucose peut former.

Joining and breaking sugars

Les monomères sont reliés par de fortes liaisons covalentes. Lorsque deux sucres se joignent, une liaison glycosidique se forme entre eux. Cela se produit par condensation : une molécule d'eau est retirée à chaque fois qu'une liaison se forme.

L'inverse est l'hydrolyse 水解 : une molécule d'eau est ajoutée pour rompre une liaison glycosidique. C'est pourquoi le test des sucres non réducteurs nécessite de l'acide et de la chaleur — ils hydrolysent le saccharose en glucose et fructose.

Storage polysaccharides: starch and glycogen

L'amidon est le réservoir d'énergie dans les plantes. Il est composé de deux polymères d'α-glucose :

• l'amylose — une longue chaîne non ramifiée qui s'enroule en spirale.
• amylopectin 支链淀粉 — a chain with many side branches.

Le glycogène est le réservoir d'énergie chez les animaux. Il ressemble à l'amylopectine mais possède encore plus de ramifications, ce qui permet une dégradation rapide lorsque l'énergie est nécessaire.

Ces réservoirs conviennent bien à leur fonction : ils sont compacts, ils sont insolubles 不溶 (donc ils ne quittent pas la cellule), et ils ne modifient pas le potentiel hydrique 水势 de la cellule (donc ils n'attirent pas l'eau par osmose 渗透). Les nombreuses ramifications offrent de nombreuses extrémités, permettant d'ajouter ou de retirer du glucose rapidement.

Cellulose

La cellulose 纤维素 est faite de β-glucose. En raison de la forme β, chaque autre glucose est retourné, de sorte que les chaînes sont longues et droites. De nombreuses chaînes droites sont alignées côte à côte et maintenues ensemble par des liaisons hydrogène 氢键 en faisceaux solides appelés microfibrilles 微纤丝. Celles-ci donnent à la paroi cellulaire 细胞壁 végétale sa résistance et empêchent la cellule d'éclater.

Triglycérides

Un triglycéride 甘油三酯 est le principal gras ou huile. Il est non polaire 非极性 et hydrophobe 疏水 (il ne se mélange pas à l'eau). Il est composé d'une molécule de glycérol 甘油 liée à trois acides gras 脂肪酸 par des liaisons ester 酯键. Chaque liaison ester se forme par condensation, ce qui entraîne la suppression de trois molécules d'eau.

Fatty acids are of two kinds:

• saturé — pas de doubles liaisons carbone-carbone ; ces graisses sont généralement solides.
• insaturé — une ou plusieurs doubles liaisons ; ces huiles sont généralement liquides.

Les triglycérides constituent un bon stockage d'énergie à long terme : ils libèrent environ deux fois plus d'énergie par gramme que les glucides, ils sont insolubles et stockent peu de masse supplémentaire car ils ne contiennent pas d'eau. Sous la peau, ils offrent également une isolation 隔热 et protègent les organes.

Phospholipides

Un phospholipide 磷脂 est semblable à un triglycéride, mais un acide gras est remplacé par un groupe phosphate 磷酸. Cela confère à la molécule deux extrémités aux comportements différents :

• une tête phosphate 极性 hydrophilic 亲水 (« qui aime l'eau ») polaire.
• deux queues d'acides gras hydrophobes (« qui craignent l'eau »).

Cette double nature explique pourquoi les phospholipides forment les membranes autour des cellules.

Acides aminés et liaison peptidique

Les protéines sont des polymères d'acides aminés 氨基酸. Chaque acide aminé a la même structure générale autour d'un atome de carbone central : un groupe amino 氨基 (–NH₂), un groupe carboxyle 羧基 (–COOH), un atome d'hydrogène, et une chaîne latérale 侧chain variable (le groupe R). Le groupe R est différent dans chaque acide aminé.

Deux acides aminés se rejoignent par condensation. La liaison formée entre le groupe amino de l'un et le groupe carboxyle du suivant est une liaison peptidique 肽键, et une molécule d'eau est éliminée. De nombreux acides aminés joints ainsi forment un polypeptide 多肽. L'ajout d'eau (hydrolyse) rompt une liaison peptidique.

Quatre niveaux de structure protéique

La forme repliée est maintenue par quatre types d'interactions entre les groupes R :

• interactions hydrophobes 疏水作用 (les groupes R non polaires s'agglomèrent à l'écart de l'eau).
• liaisons hydrogène.
• liaisons ioniques 离子键 (entre les groupes R chargés).
• liaisons covalentes, y compris les solides liaisons disulfure 二硫键.

Protéines globulaires et fibreuse

• les protéines globulaires 球状蛋白质 se replient en forme arrondie, sont généralement solubles 可溶, et remplissent des fonctions dans l'organisme (par exemple, enzymes et hémoglobine).
• les protéines fibreuses 纤维状蛋白质 forment de longs filaments, sont généralement insolubles, et assurent la structure et le soutien (par exemple, collagène).

Hémoglobine — une protéine globulaire

L'hémoglobine 血红蛋白 transporte l'oxygène 氧气 dans les globules rouges. Elle possède une structure quaternaire composée de quatre chaînes polypeptidiques : deux chaînes alpha (α-globine) et deux chaînes bêta (β-globine). Chaque chaîne contient un groupe hème 血红素. Au centre de chaque groupe hème se trouve un atome de fer 铁, et c'est là qu'une molécule d'oxygène se lie. Quatre chaînes signifient qu'une molécule d'hémoglobine peut transporter quatre molécules d'oxygène.

Collagène — une protéine fibreuse

Collagène 胶原蛋白 donne de la force à la peau, aux tendons 肌腱, aux os et aux parois des vaisseaux sanguins. Une molécule de collagène est constituée de trois chaînes polypeptidiques enroulées étroitement les unes autour des autres sous forme de triple hélice, maintenues par des liaisons hydrogène. De nombreuses molécules sont disposées côte à côte, légèrement décalées, et réticulées pour former des fibres 纤维 épaisses. Ce mode d'organisation décalé et réticulé confère au collagène une grande résistance lorsqu'il est soumis à une tension.

L'eau est une petite molécule, mais ses deux liaisons O–H sont polaires : l'extrémité oxygène est légèrement négative et les extrémités hydrogène sont légèrement positives. Ainsi, une molécule d'eau attire ses voisines, formant de faibles liaisons hydrogène entre elles. Ces liaisons hydrogène expliquent les propriétés utiles de l'eau :

• action solvant — l'eau est un bon solvant 溶剂, de sorte que de nombreuses substances s'y dissolvent. Cela permet aux réactions de se produire et au transport des substances dans l'organisme.
• capacité thermique massique élevée 比热容 — l'eau nécessite beaucoup d'énergie pour chauffer, ce qui maintient sa température stable. Cela protège les êtres vivants contre les variations rapides de température.
• chaleur latente de vaporisation 汽化潜热 — l'eau nécessite beaucoup d'énergie pour s'évaporer 蒸发. Lors de son évaporation (par exemple lorsque la transpiration sèche), elle emporte une grande quantité de chaleur et refroidit le corps.

• Apprendre chaque test alimentaire selon le réactif + résultat positif + changement de couleur (Benedict → brique rouge ; iode → bleu-noir ; biuret → violet ; émulsion → blanc).
• Le réactif de Benedict détecte les sucres réducteurs ; pour un sucre non réducteur, il faut d'abord hydrolyser avec un acide, puis tester à nouveau.
• Nommer précisément la liaison : glycosidique (glucides), ester (lipides), peptidique (protéines) — toutes formées par condensation (élimination d'eau).
• Relier structure et fonction : cellulose (chaînes droites, liaisons H → solide), glycogène/amidon (ramifié/enroulé → stockage compact).
• Pour les protéines, nommer la liaison à chaque niveau : primaire (peptidique), secondaire (hydrogène), tertiaire (interactions des groupes R), quaternaire.

Les enzymes 酶 sont des protéines globulaires 球状蛋白质 — un type de protéine 蛋白质 ayant une forme arrondie et soluble. Elles agissent comme des catalyseurs biologiques : elles catalysent 催化 (accélèrent) les réactions chimiques chez les êtres vivants, et ne sont pas consommées, de sorte que chaque enzyme peut agir encore et encore.

Les enzymes agissent dans deux endroits :

• Les enzymes intracellulaires 细胞内 travaillent à l'intérieur de la cellule 细胞 qui les a produites. Un exemple est la catalase 过氧化氢酶, qui décompose le peroxyde d'hydrogène nocif.
• Les enzymes extracellulaires 细胞外 sont sécrétées 分泌 (envoyées dehors) pour travailler hors de la cellule. Un exemple est l'amylase 淀粉酶, qui est libérée dans le tube digestif pour digérer 消化 l'amidon 淀粉.

Chaque enzyme possède une poche spéciale appelée site actif 活性位点. La molécule sur laquelle elle agit est son substrat 底物. Le substrat s'adapte au site actif pour former un complexe enzyme-substrat 酶底物复合物. La réaction se produit ensuite, et les produits 产物 partent, libérant le site actif pour le prochain substrat.

Spécificité

Une enzyme est spécifique : elle agit généralement sur un seul substrat. C'est parce que la forme du site actif est complémentaire 互补 à (s'adapte à) la forme de ce substrat et aucune autre. Nous appelons cela la spécificité 专一性.

Deux théories expliquent comment le substrat s'adapte :

• l'hypothèse de la serrure et de la clé 锁钥学说 — le site actif a une forme fixe, et seul un substrat dont la forme correspond s'adapte, comme une clé dans une serrure.
• l'hypothèse de l'ajustement induit 诱导契合学说 — le site actif n'a pas tout à fait la bonne forme au départ. Lorsque le substrat se lie, le site actif change légèrement de forme pour l'envelopper fermement. Cette idée s'accorde mieux avec les preuves.

Abaisser l'énergie d'activation

Toute réaction nécessite une petite « poussée » d'énergie pour démarrer, appelée énergie d'activation 活化能. Une enzyme abaisse l'énergie d'activation. Cela permet à la réaction de se dérouler rapidement à la température 温度 normale de la cellule, au lieu de nécessiter une forte chaleur.

Vous pouvez suivre une réaction enzymatique de deux façons :

• mesurer la vitesse de formation du produit. Avec la catalase, le gaz oxygène est un produit, on collecte donc le gaz et on mesure son volume au fil du temps.
• mesurer la vitesse de disparition du substrat. Avec l'amylase, on prélève des échantillons et on effectue le test à l'iode ; la couleur bleu-noir disparaît alors que l'amidon est consommé.

Un colorimètre 比色计 rend cela exact. Il fait passer de la lumière à travers le tube et mesure la quantité de lumière absorbée, de sorte qu'un changement de couleur devient un nombre que vous pouvez tracer.

La vitesse de réaction 反应速率 est la plus forte au début (le substrat est le plus présent), donc la vitesse initiale (la pente à l'instant zéro) est la valeur la plus juste pour comparer.

Exemple résolu. Dans les premières $20$ secondes d'une réaction de catalase, $16\ \text{cm}^3$ d'oxygène est collecté. Estimez la vitesse de réaction.

Comme la réaction est la plus rapide au début, mesurer sur cet intervalle court initial donne une valeur proche de la vitesse initiale ; moyenniser sur une durée plus longue inclurait les étapes plus lentes ultérieures et sous-estimerait la valeur.

Température

À mesure que la température augmente, les molécules gagnent plus d'énergie cinétique 动能 et entrain en collision 碰撞 plus souvent, donc la vitesse augmente. Mais au-delà de la température optimale 最适温度, l'enzyme commence à se dénaturer 变性 : la chaleur rompt les liaisons maintenant sa forme, de sorte que le site actif change et ne s'adapte plus au substrat. La vitesse chute alors rapidement.

pH

Chaque enzyme a un pH optimal. Si le pH s'éloigne trop de celui-ci, l'enzyme se dénature et la vitesse diminue. Pour étudier le pH équitablement, on le maintient stable avec une solution tampon 缓冲液.

Concentration en enzyme

Avec suffisamment de substrat, davantage d'enzyme signifie davantage de sites actifs, donc la vitesse augmente proportionnellement à la concentration en enzyme.

Concentration en substrat

Au début, ajouter plus de substrat accélère la réaction. Mais une fois que tous les sites actifs sont occupés, ajouter plus de substrat n'a aucun effet — la vitesse s'aplatit à un maximum.

Concentration en inhibiteur

Un inhibiteur 抑制剂 est une molécule qui ralentit une enzyme. Plus il y a d'inhibiteur, plus la vitesse est faible.

La vitesse d'aplatissement, lorsque tous les sites actifs sont saturés, est la vitesse maximale, notée $V_{\text{max}}$.

La constante de Michaelis–Menten 米氏常数 ($K_{\text{m}}$) est la concentration en substrat qui donne la moitié de $V_{\text{max}}$. Elle renseigne sur l'affinité 亲和力 (pouvoir d'attraction) de l'enzyme pour son substrat :

• un $K_{\text{m}}$ faible signifie que l'enzyme atteint la demi-vitesse à une faible concentration de substrat, donc elle a une forte affinité.
• un $K_{\text{m}}$ élevé signifie une faible affinité.

Ainsi, $K_{\text{m}}$ permet de comparer la force avec laquelle différentes enzymes lient leurs substrats.

Certains inhibiteurs sont réversibles 可逆 : ils peuvent quitter l'enzyme à nouveau. Il existe deux types.

Une enzyme immobilisée 固定化酶 est fixée en place — par exemple, piégée à l'intérieur de petites billes d'alginate 海藻酸盐 — au lieu de flotter librement en solution. La solution de substrat s'écoule le long des billes.

Une enzyme libre fonctionne généralement un peu plus vite, car le substrat peut y accéder facilement. Mais les enzymes immobilisées présentent de grands avantages pratiques :

• l'enzyme n'est pas lessivée, elle peut donc être réutilisée encore et encore.
• le produit est pur — il n'est pas mélangé à l'enzyme.
• l'enzyme est plus stable, elle résiste mieux aux variations de température et de pH.
• le processus peut fonctionner en continu, avec un flux constant de substrat entrant et de produits sortants.

• Expliquez l'action enzymatique avec le modèle de l'ajustement induit (le site actif s'adapte autour du substrat) — maintenant préféré au modèle clé-serrure.
• Au-dessus de l'optimum, l'enzyme se dénature (les liaisons hydrogène et la structure tertiaire se brisent) — écrivez « se dénature », jamais « meurt » ou « est tuée ».
• Distinquez les inhibiteurs : compétitif se lie au site actif (surmontable par plus de substrat, même $V_{max}$) ; non compétitif se lie ailleurs (réduit $V_{max}$).
• Comparez les vitesses en utilisant la vitesse initiale (tangente à t=0) — la mesure la plus juste, avant que le substrat ne devienne limitant.

Chaque cellule est enveloppée d'une membrane plasmique 细胞膜. Nous décrivons sa structure avec le modèle mosaïque fluide 流动镶嵌模型.

La bicouche phospholipidique

La membrane est constituée principalement de phospholipides 磷脂. Chaque phospholipide possède une tête hydrophile 亲水 (« aimantant l'eau ») et deux queues hydrophobes 疏水 (« redoutant l'eau »). Il y a de l'eau des deux côtés de la membrane, donc les phospholipides s'alignent en deux couches — une bicouche 双层 — avec les têtes tournées vers l'eau extérieure et intérieure, et les queues cachées au milieu, loin de l'eau. Cette disposition s'établit d'elle-même grâce aux interactions hydrophiles et hydrophobes.

Le modèle est qualifié de « fluide » car les phospholipides ne sont pas fixes : ils glissent les uns sur les autres, permettant à la membrane de bouger et de se courber. On l'appelle « mosaïque » car de nombreux protéines 蛋白质 y sont dispersés, comme des tuiles dans une image.

Ce qui flotte dans la membrane

Ainsi, les molécules membranaires confèrent ensemble à la membrane sa stabilité 稳定性, sa fluidité, sa perméabilité 通透性 (contrôle de ce qui passe), ses fonctions de transport, de signalisation et de reconnaissance cellulaire.

La membrane est semi-perméable 半透膜 : elle laisse passer certaines substances facilement mais bloque d'autres.

Les cellules communiquent entre elles via la signalisation cellulaire 细胞信号传递. Les étapes principales sont :

1. une cellule sécrète une molécule signal appelée ligand 配体 (par exemple une hormone 激素).
2. le ligand est transporté (souvent dans le sang) vers une cellule cible 靶细胞.
3. le ligand se lie à un récepteur 受体 spécifique à la surface de la membrane de la cellule cible. La forme du récepteur correspond uniquement à ce ligand. La liaison déclenche ensuite une réponse particulière à l'intérieur de la cellule cible.

Il existe six processus. Certains sont passifs 被动 (ils ne nécessitent pas d'énergie 能量), d'autres sont actifs (ils utilisent l'énergie de l'ATP).

Diffusion simple

La diffusion 扩散 est le mouvement net de particules d'une zone de haute concentration 浓度 vers une zone de faible concentration, jusqu'à une répartition uniforme. La diffusion simple 简单扩散 intervient lorsque les particules traversent directement la bicouche, le long du gradient de concentration 浓度梯度. Seules les petites molécules ou non polaires peuvent le faire — telles que l'oxygène 氧气 et le dioxyde de carbone 二氧化碳. C'est passif.

Diffusion facilitée

Les ions chargés et les grandes molécules polaires (comme le glucose 葡萄糖) ne peuvent pas traverser la bicouche huileuse seuls. Dans la diffusion facilitée 易化扩散, ils traversent par des protéines canaux ou porteuses, tout en suivant toujours le gradient de concentration. C'est également passif.

Osmose

L'osmose 渗透 est la diffusion de l'eau à travers une membrane semi-perméable, d'un potentiel hydrique plus élevé vers un potentiel hydrique plus bas. C'est passif.

Transport actif

Le transport actif 主动运输 déplace une substance contre son gradient de concentration — de faible à forte concentration. Cela nécessite des protéines porteuses et de l'énergie issue de l'ATP.

Endocytose et exocytose

Ces processus déplacent de grandes quantités de matière en vrac, en utilisant de l'ATP.

• dans l'endocytose 胞吞作用, la membrane s'incurve autour de la matière et pince une vésicule 囊泡 pour l'introductre dans la cellule.
• dans l'exocytose 胞吐作用, une vésicule fusionne avec la membrane et libère son contenu à l'extérieur de la cellule.

Une cellule absorbe et élimine des substances à travers sa surface. À mesure qu'un objet grandit, son volume 体积 augmente plus vite que sa surface 表面积. Le rapport surface/volume devient donc plus petit à mesure que la taille augmente.

Pour un cube de côté $L$ :

Un grand $L$ donne un petit rapport. C'est pourquoi les petites cellules (et les formes minces et plates) échangent rapidement des matériaux, tandis que les grandes cellules ne peuvent pas compter uniquement sur la diffusion.

Exemple résolu. Comparez le rapport surface : volume d'une cellule cubique de côté $4$ avec celle de side $10$.

Pour le côté $4$ : surface $= 6 \times 4^2 = 96$ et volume $= 4^3 = 64$, donc le rapport est $96 : 64 = 1.5 : 1$. Pour le côté $10$ : surface $= 6 \times 10^2 = 600$ et volume $= 10^3 = 1000$, donc le rapport est $600 : 1000 = 0.6 : 1$. La plus grande cellule a le plus petit rapport, donc elle échange des matériaux à travers sa surface plus lentement pour sa taille — c'est pourquoi les grands organismes ont besoin de surfaces d'échange spécialisées comme les poumons et les branchies.

Vous pouvez le démontrer avec des blocs d'agar 琼az de différentes tailles imbibés de colorant ou d'acide : le plus petit bloc, ayant le plus grand rapport surface/volume, change de couleur entièrement le plus vite. La diffusion à travers des matériaux non vivants peut aussi être étudiée avec un tube dialyse 透析袋 (tube Visking).

Le potentiel hydrique mesure la propension de l'eau à quitter une solution. L'eau pure a le potentiel hydrique le plus élevé. L'ajout d'un soluté 溶质 (une substance dissoute) le réduit. L'eau migre toujours par osmose d'un potentiel hydrique plus élevé vers un potentiel plus bas.

Pour estimer le potentiel hydrique de tissus végétaux, on place des morceaux dans des solutions de saccharose de potentiels hydriques différents. La solution qui provoque aucun changement de masse ou de longueur a approximativement le même potentiel hydrique que le tissu.

Effet sur les cellules végétales

• dans une solution de potentiel hydrique plus élevé (par exemple l'eau distillée 蒸馏水), l'eau pénètre dans la cellule. La cellule gonfle et devient turgide 膨胀, mais la paroi cellulaire rigide l'empêche d'éclater.
• dans une solution de potentiel hydrique plus bas, l'eau sort. Le contenu cellulaire se rétracte et la membrane s'éloigne de la paroi cellulaire — c'est la plasmolyse 质壁分离.

Effet sur les cellules animales

Les cellules animales n'ont pas de paroi cellulaire pour les protéger.

• dans une solution de potentiel hydrique plus élevé, l'eau entre et la cellule peut éclater. Dans un globule rouge, cet éclatement est appelé hémolyse 溶血.
• dans une solution de potentiel hydrique plus bas, l'eau sort et la cellule se rétracte.

• Décrire la membrane comme un mosaïque fluide : une bicouche phospholipidique avec des protéines, du cholestérol et des glycoprotéines.
• Classer chaque processus : la diffusion, la diffusion facilitée et l'osmose sont passives (selon un gradient) ; le transport actif et l'endo/exocytose nécessitent de l'ATP et peuvent aller à contre-gradient.
• Pour l'osmose, utilisez toujours le potentiel hydrique ($\Psi$) : l'eau se déplace du haut (moins négatif) vers le bas (plus négatif) $\Psi$ ; l'eau pure est $0$, la plus élevée.
• Indiquer le résultat selon le type cellulaire : cellule végétale turgide/plasmolysée ; cellule animale lyse/crine — reliez-le au gradient de potentiel hydrique.

Un chromosome 染色体 est une très longue molécule d'ADN enroulée étroitement autour de protéines 蛋白质 spéciales appelées histones 组蛋白. Enrouler l'ADN ainsi permet à une grande longueur de tenir dans le noyau et de rester ordonnée.

Avant qu'une cellule ne se divise, son ADN est copié (ce processus de copie est appelé réplication 复制). Après la copie, chaque chromosome est composé de deux copies identiques jointes ensemble. Ces deux copies sont les chromatides sœurs 姐妹染色单体, et elles sont maintenues ensemble à un point appelé le centromère 着丝粒. Les extrémités de chaque chromosome sont coiffées par des télomères 端粒, qui protègent les bouts.

La mitose 有丝分裂 est un type de division nucléaire produisant deux cellules filles 子细胞 qui sont génétiquement identiques — elles portent exactement les mêmes gènes 基因 que la cellule parente et entre elles.

Cela est important pour :

• la croissance des organismes multicellulaires 多细胞生物体 (produire plus de cellules).
• le remplacement de cellules endommagées ou mortes.
• la réparation des tissus 组织 par la production de nouvelles cellules.
• la reproduction asexuée 无性生殖 (un parent produit des descendants identiques).

Le cycle cellulaire 细胞周期 est la vie complète d'une cellule d'une division à la suivante. Il comprend trois parties :

1. l'interphase 间期 — la partie la plus longue. La cellule grandit lors de la phase G₁, copie son ADN lors de la phase S (réplication), grandit à nouveau et se prépare à se diviser lors de la phase G₂.
2. la mitose — le noyau se divise en deux noyaux identiques.
3. la cytokinèse 胞质分裂 — le reste de la cellule se scinde, donnant deux cellules filles séparées.

L'index mitotique

L'index mitotique est la fraction de cellules d'un échantillon qui sont en mitose. On le calcule en comptant les cellules au microscope :

Exemple résolu. Dans un échantillon de gousse de racine, $8$ des $50$ cellules observées sont en mitose. Trouvez l'index mitotique.

Un index mitotique élevé signifie que beaucoup de cellules divisent rapidement — normal dans une gousse de racine en croissance, mais dans les tissus animaux adultes, cela peut être un signe d'avertissement de croissance incontrôlée.

Lorsque l'ADN est réplié, la copie ne peut atteindre l'extrémité même de la molécule, donc une petite portion est perdue à chaque fois. Les télomères sont de courtes séquences répétitives d'ADN situées aux extrémités qui ne comportent aucun gène. Puisque ce sont les télomères qui se raccourcissent, aucun gène important n'est perdu lors de la réplication.

Une cellule souche 干细胞 est une cellule non spécialisée qui peut continuer à se diviser par mitose et peut différencier 分化 (changer) en différents types de cellules spécialisées. Les cellules souches sont la source de nouvelles cellules pour remplacer les cellules perdues et réparer les tissus.

Le cycle cellulaire est normalement strictement régulé, de sorte que les cellules ne se divisent que lorsque nécessaire. Si cette régulation est perdue, une cellule peut se diviser encore et encore sans s'arrêter. Cette division incontrôlée produit un amas de cellules appelé tumeur 肿瘤.

La mitose passe par quatre stades. Vous devriez pouvoir les reconnaître sur des photomicrographies et des lames.

La cytokinèse suit ensuite. Dans une cellule animale, la membrane plasmique se pince vers l'intérieur pour scinder la cellule ; dans une cellule végétale, une nouvelle paroi se forme au milieu. Le résultat est deux cellules filles génétiquement identiques.

• Apprendre les stades dans l'ordre (prophase, métaphase, anaphase, télophase) avec un événement clé chacun ; l'interphase (G1, S, G2) n'est pas une partie de la mitose.
• La mitose donne deux cellules diploïdes génétiquement identiques — pour la croissance, la réparation et la reproduction asexuée.
• Index mitotique $=$ cellules en mitose $\div$ nombre total de cellules ; une valeur élevée signifie une division rapide.
• Relier la mitose incontrôlée aux tumeurs et le raccourcissement des télomères à la limite du nombre de divisions.

Les acides nucléiques 核酸 (ADN et ARN) sont des polymères constitués de petites unités appelées nucléotides 核苷酸. Chaque nucléotide est composé de trois parties assemblées ensemble :

• un groupe phosphate 磷酸,
• un sucre (un sucre à 5 carbones),
• une base 碱基 contenant de l'azote.

L'ATP est un nucléotide spécial. Il possède la base adénine 腺嘌呤, le sucre ribose 核糖, et trois groupes phosphate. Casser le dernier phosphate libère de l'énergie 能量 pour la cellule.

Il existe cinq bases, regroupées en deux catégories :

• les purines 嘌呤 ont un double anneau (deux anneaux) : adénine et guanine 鸟嘌呤.
• les pyrimidines 嘧啶 ont un anneau unique (un anneau) : cytosine 胞嘧啶, thymine 胸腺嘧啶 et uracile 尿嘧啶.

Une molécule d'ADN est constituée de deux brins torsadés ensemble formant une double hélice 双螺旋.

Chaque brin 链 possède un squelette alternant de sucre (ici le sucre est la désoxyribose 脱氧核糖) et de phosphate. Le sucre d'un nucléotide est lié au phosphate du suivant par une liaison phosphodiester 磷酸二酯键.

Les deux brins sont maintenus ensemble par leurs bases, qui se rencontrent au centre. L'appariement est exact : c'est l'appariement complémentaire des bases 碱基互补配对 :

• A s'apparie toujours avec T, maintenu par deux liaisons hydrogène 氢键.
• C s'apparie toujours avec G, maintenu par trois liaisons hydrogène (ainsi une paire de bases C–G 碱基对 est plus difficile à séparer).

Les deux brins courent dans des directions opposées : l'un va de 5′ vers 3′ tandis que l'autre va de 3′ vers 5′. On dit qu'ils sont antiparallèles 反平行.

L'échelle plate ci-dessus est tordue en spirale. Ce modèle volumétrique, où chaque atome est une boule, montre la forme réelle de l'hélice double :

La réplication de l'ADN 复制 (copie) a lieu lors de la phase S du cycle cellulaire. Elle est semi-conservative 半保留复制 : chaque nouvelle molécule conserve un ancien brin et un nouveau brin. Les étapes sont :

1. l'hélice double se dérouler et les liaisons hydrogène se rompent, ce qui sépare les deux brins.
2. chaque brin ancien sert de matrice. Des nucléotides libres s'apparent aux bases exposées par appariement complémentaire des bases.
3. l'enzyme 酶 ADN polymérase 聚合酶 lie les nouveaux nucléotides dans un brin. Elle ne peut ajouter des nucléotides que dans le sens 5′ vers 3′.

En raison de cette règle 5′ vers 3′, les deux nouveaux brins sont synthétisés différemment :

• le brin avant 前导链 est construit de manière continue, en suivant le déroulement.
• le brin arrière 后随链 est construit en petits morceaux, en s'éloignant du point de déroulement. L'enzyme ADN ligase 连接酶 relie ensuite ces morceaux entre eux.

L'ARN est également composé de nucléotides, mais il s'agit d'un seul brin, son sucre est le ribose, et il utilise l'uracile à la place de la thymine. Le type le plus important ici est l'ARN messager (ARNm), qui transporte une copie des instructions d'un gène hors du noyau pour être utilisée.

Un gène 基因 est une séquence de nucléotides d'ADN codant pour une polypeptide 多肽.

Le code est lu par triplets 三联体 — des groupes de trois bases. Chaque triplet code soit pour un acide aminé 氨基酸 spécifique, soit sert de signal de départ ou d'arrêt. Le code est universel : la quasi-totalité des êtres vivants utilisent les mêmes triplets pour les mêmes acides aminés.

Il y a 64 triplets possibles mais seulement 20 acides aminés courants, donc la plupart des acides aminés sont codés par plus d'un triplet.

Transcription (dans le noyau)

Le gène ADN est copié en ARNm. C'est la transcription 转录.

• le brin d'ADN qui est copié est le brin matrice 模板链 ; le brin partenaire est le brin non transcrit 非转录链.
• l'enzyme ARN polymérase joint les nucléotides d'ARN qui s'apparent aux bases de la matrice (avec l'uracile s'appariant à l'adénine).
• chez les eucaryotes, le premier ARN produit (le transcrit primaire 初级转录本) contient des parties codantes appelées exons 外显one et des parties non codantes appelées introns 内含子. Les introns sont coupés et les exons sont joints pour former l'ARNm mature.

Traduction (au ribosome)

L'ARNm quitte le noyau et se fixe sur un ribosome 核糖体. Construire la polypeptide à partir du code ARNm est la traduction 翻译.

• l'ARNm est lu par codons 密码子 (chaque codon est un triplet de bases ARNm).
• les molécules d'ARN de transfert (ARNt) apportent des acides aminés au ribosome. Chaque ARNt possède un anticodon 反密码子 qui s'apparie avec un codon correspondant.
• alors que les codons sont lus dans l'ordre, le ribosome lie les acides aminés par des liaisons peptidiques 肽键, construisant la polypeptide.

Exemple résolu. Un brin matrice ADN lit TAC GGA CTT. Donnez les codons ARNm et précisez la longueur de la polypeptide. Transcrivez par appariement complémentaire des bases, en vous rappelant que l'ARN utilise l'uracile à la place de la thymine : TAC donne AUG, GGA donne CCU, CTT donne GAA. Donc l'ARNm lit AUG CCU GAA. AUG est le codon de départ (méthionine), donc la polypeptide fait trois acides aminés de long - deux une fois la méthionine de départ retirée. Deux erreurs ont coûté la plupart des points ici : appairer A avec T au lieu de U lors de l'écriture de l'ARNm, et transcrire le brin codant au lieu du brin matrice. L'ARNm est complémentaire à la matrice et identique au brin codant à part U remplaçant T.

Une mutation génique 突变 est un changement dans la séquence de bases d'une molécule d'ADN. Elle peut modifier la polypeptide produite. Il existe trois types :

• substitution 替换 — une base est échangée contre une autre base différente. Cela change au maximum un acide aminé, et parfois aucun (car la plupart des acides aminés ont plus d'un triplet).
• déletion 缺失 — une base est supprimée.
• insertion 插入 — une base supplémentaire est ajoutée.

Une délétion ou une insertion décale la lecture de tous les triplets suivants, elle modifie donc généralement de nombreux acides aminés après ce point et a un grand effet sur la polypeptide.

• L'ADN est antiparallèle, maintenu par des liaisons hydrogène (A=T deux, C≡G trois) ; la réplication est semi-conservative (chaque produit conserve un brin ancien).
• Indiquez où et quoi : transcription (noyau → ARNm), traduction (ribosome, ARNm + ARNt → polypeptide).
• Décrivez le code avec les quatre termes : triplet, non chevauchant, dégénéré, universel.
• Pour une mutation génique (substitution, insertion, délétion), expliquez l'effet sur la protéine — et pourquoi une substitution peut être silencieuse (dégénérescence).