Cours 10 Flashcards
3 intérêts de la vie aux extrêmes
1) Mieux comprendre le fonctionnement général des enzymes, et des métabolites, par les extrêmes et les limites
2) Identifier/isoler/construire des enzymes pour des applications biotechnologiques
3) Développer des hypothèses et donc faciliter la découverte de la vie extraterrestre (astrobiologie)
polyextrêmophilie
une bonne partie des organismes extrêmophiles sont adaptées à plusieurs conditions extrêmes à la fois
2 possibilités de début de forme de vie
1) organismes extremophiles —> des formes de vie qui ont réussis de s’adapter à des conditions rigoureuses, et de « conquérir » de nouvelles niches écologiques
2) la vie aurait apparue sous des conditions extrêmes, suivie d’une tolérance de conditions plus modérées
critères généralement acceptées sur ce qu’est la vie.
la reproduction, la croissance, et…le métabolisme!
—> métabolisme utilise de l’énergie pour construire des structures carboniques complexes (anabolisme)
—> catabolisme pas un critère essentiel (autres sources d’énergie dispo)
—> fermeture de l’espace réactionnel (compartiment) par une membrane complète le processus
LUCA
connait ARN (et ADN), code génétique, chiralité d’acides aminées et protéines. Il a des membranes. Il synthétise de l’ADN (ADN polymérase).
mais ne génère pas forcément, des gradients d’ions comme source d’énergie. Il utilise l’ATP comme « monnaie » énergétique et connait l’ATP synthétase.
Autotrophe – dépend de CO2 et CO comme source de carbone
plausible de penser que LUCA vivait autour de cheminées hydrothermales
Qui tient les records d’extrêmophilie.
Les archees
Condition: pH très bas ou élevé (acidité/alcalinité)
Défis
- maintenir des pH « physiologiques » intracellulaires:
La tolérance aux pH extrêmes intracellulaires est bien inférieur comparé au pH extracellulaire (→ adaptation).
Évidemment, la structure des protéines risque d’être affectée (ex.: ponts de sel) - Maintenir le gradient de protons intracellulaire (ATP synthase = universelle!)
Condition: pH bas ou élevé (acidité/alcalinité)
Stratégies
- mécanismes pour maintenir un pH intracellulaire permissif (pompes à protons, transporteurs/antiporteurs, changements de lipides membranaires (pas de diffusion de protons!), systèmes de tampon cytoplasmique)
- Atténuation du gradient de protons en inversant le potentiel membranaire (donc c’est possible! Import d’ions+, comme K+) (ou: compenser le ΔpH inversé par un potentiel membranaire accru).
La force motrice de protons (PMF):
une fonction de ΔpH (protons) et de Δψ (charges – ions).
—> La PMF est indispensable à la generation d’ATP. D’habitude, des pompes à protons genèrent le PMF (proton motive force = force mortice de protons) dans des bactéries, des mitochondries, et des plantes.
acidophiles compensent le très grand ΔpH par l’inversion de leur potential membranaire Δψ (import d’ions+ comme K+).
alcalophiles augmentent le potential membranaire Δψ, pour compenser le ΔpH inversé.
ATP vs ADP
ATP : limites de stabiliité.
- ADP est + stable
PMF et potentiel membraniare
Le PMF doit être maintenu,
mais le potentiel membranaire (Δψ) est modulable, et peut même être inversé
halophilie
Défis
Condition: salinité
- Gérer la pression osmotique et garder l’eau intracellulaire:
L’eau liquide est requis en tant que soluté pour des réactions biochimiques (et donc métaboliques).
Halophilie stratégie
1) Accumuler des solutés organiques compatibles pour contrer et compenser la perte d’eau due à la pression osmotique —> sont synthétisés dans la cellule
glycerol, glycine, betaine, sucrose ou tréhalose
—> peuvent également compenser la perte d’eau liquide due au gel.
2) “salt-in”. Ici, la pression osmotique est contrée par l’influx d’ions K+, qui contrent le Na++ du milieu extracellulaire
Solutés organiques compatibles fonction et caractéristiques
petites molecules organiques métaboliquement inertes
1) contrent la pression osmotique du sel environnant.
2) apportent une coquille d’hydratation aux proteins, requise pour leur fonctionnement.
3) maintiennent le turgor des cellules et leur volume
Lac Kyros
Cas extreme
MgCl2 >5M – sel chaotrope (denaturant – brise les ponts hydrogène), très peu d’eau disponible, et pas d’oxygène.
—> contient tout un écosystème
—> indices indiquent la presence d’organismes méthanogènes (anaerobes), ainsi que de la réduction de sulphate (respiration de sulphate).
chaotropicité du milieu
en théorie - des sels chaoptropes pourraient également permettre des mouvements et de la flexibilité de macromolecules biologiques à basse/très basse temperature
—> contexte astrobiologique, ces sels pourraient donc avoir un effet plutôt permissif
Utilisation industrielle d’enzymes tolérants au sel
(en salinité accrue, mais non pas extrême)
- production/soin du cuir (protéases)
- Bioremédiation (xylanases en milieu/sol dégradé)
psychrophilie
Condition: température basse
La limite inférieure de vie métaboliquement active se situe en-dessous de -20°C (temps de génération 160 jours)
—> par pression et salinité (salinité descend le freezing point)
Condition: température basse
Défis
- Réactions (bio-)chimiques lentes, peu de flexibilité (enzymes, lipides)
- Éviter la cristallisation d’eau (déchirement physique de la cellule)
Condition: température basse
Stratégies
- Augmenter la flexibilité protéique (augmenter l’expression de chaperones et enzymes,
interactions intramoléculaires plus faibles) - Autres structure des lipides qui augmentent leur fluidité (ils ressemblent davantage à des detergents: moins polaires que d’habitude)
- Augmenter la salinité intracellulaire (= descendre le point de congelation intracellulaire)
- Utiliser des solutées “anti-freeze” compatibles alternatifs (cf salinité);
- En cas de temperatures temporairement trop basses : vitrification, non pas gel (verre =
matière solide amorphe: pas de cristaux)! Évidemment, il n’y a pas de métabolisme actif en état vitrifié (survie ≠ vie)
Un des résultats des recherches avec des organismes psychrophiles
l’identification de protéases actives à température basse (pour le tissu délicat).
Une bonne douzaine d’enzymes sont utilisées dans l’industrie alimentaires.
Condition: température élevée
La limite supérieure de vie active se situe actuellement autour des 120°C (très possiblement davantage)
Condition: température élevée
Défis
- Éviter la dénaturation des protéines, maintenir la compartimentalisation de la cellule par des membranes lipidiques.
—> le point d’ebullition de l’eau augmente avec la pression. Dans les profondeurs marines, de l’eau restera liquide à 400°C! (→ polyextrêmophiles)
Condition: température élevée
Stratégies
- Compactation des structures protéiques pour augmenter leur thermostabilité. Deux strategies: quelques points d’interaction forte (adaptation), ou compactation globale. Chapérones (= Heat Shock Proteins!!)
- Changer la structure et composition de membranes pour maintenir l’état crystallin/liquide.
- Potentiellement: changer ATP comme “monnaie” en ADP (plus thermostable); hydrolyse en AMP.
Un des résultats des recherches avec des organismes thermophiles
l’identification de DNA polymérases (et d’autres enzymes) requises pour la PCR.
Organismes en froid et en chaud noms
Froid : psychrophiles
Chaud: thermophiles
piézophiles
Condition: pression élevée
Fraction de biomasse sous-terraine (entre plaques tectoniques) assez importante —> représenter >80% de la biomasse de bactéries et archées
organismes sont autotrophes (lithotrophes)
Condition: pression élevée (piézophiles)
Défis & stratégies
Défis
- Éviter la compression de la cellule.
Stratégies:
- Altération des lipides membranaires (davantage de lipides non-saturées, → fluidité membranaire)
- Osmolytes?
pression basse
ne semble pas poser de problème biophysique particulier.
Les difficultés de survivre le vacuum (par exemple dans l’espace) sont plutôt relies au manqué/l’évaporation d’eau, et à l’acquisition du carbone
Condition: rayons (UV, X, radioactivité)
bactéries et achébactéries radiotolérantes supportent l’irradiation avec 5-10 kGy! (< 50 mGy (milliGray) est considérée sécuritaire pour le fétus humain)
L’évolution de mécanismes pour contrer ce type de condition pré-date possiblement la création de la couche d’ozone (absorption de rayons UV), mais pourrait aussi avoir évoluée aux sites de radioactivité naturelle élevée.
Condition: rayons (UV, X, radioactivité)
Défis
- Ionisation, création de radicaux libres
- Mutation (garder l’intégrité de l’information génétique)
- Radiolyse de protéines et d’acides nucléiques
Condition: rayons (UV, X, radioactivité)
Stratégies
- Multiplication du génome (pour recombinaison)
- Forte surexpression de proteins impliquées dans le reparation d’ADN, et de la recombinaison.
- Utilisation préférentielle d’acides aminées petites (moins de radiolyse)
- Augmentation des defenses contre le stress oxidatif (ROS générés par bombardement de particules)
Cryptobiose
pas une forme d’extrémophilie, car les cryptobiotes subissent les extrêmes, sans s’y reproduire.
—> tolérance inclut les rayons et la dessiccation complète.
—> pendant l’abiose, il n’y aucune activité métabolique = «survie»
—> des solutés organiques compatibles jouent un rôle clé.
ectothermes/poikilothermes
ne fait pas sa propre température
Hibernation
Chez les mammifères (=endothermes)
—> la presque-cessation temporaire d’activités métaboliques, un état hypo- métabolique. animaux deviennent hypothermique
—> adaptation temporaire (pour la plupart saisonnière) à des periodes d’indisponibilité de nourriture (énergie)
moins d’activité cérébrale que dans le sommeil
torpeur est interrompue par des reveils périodiques (IBA = interbout arousal)
2 types d’hibernateurs
hibernateurs obligatoires (endogènes), qui hibernent, peu importe des conditions externes,
hibernateurs facultatives, qui déclenchent (ou non) le programme d’hibernation en fonction des conditions externes.
L’inacitvité et la baisse de temperature corporelle dans l’hibernation
Processus actifs —> contrôlés et surtout régulés.
—> le métabolisme descend AVANT la température
Métabolisme pendant l’hibernation
réduit à 2% de la normale;
les battements de coeur et la respiration sont drastiquement réduits.
L’énergie disponible est utilisée pour la respiration et la circulation réduite, ainsi que pour certaines fonctions cérébrales
Thermogenèse
the process of heat production in organisms
—> se produit dans les adipocytes bruns (riches en mitochondries) et est surtout alimenté par la beta-oxidation
—> taux de corps cétoniques circulants augmente de >15x (aussi pour la production d’ATP)
Dans les mitochondries du tissue adipeux brun, UCP-1 fait quoi?
transforme l’énergie des protons passants en énergie thermique – de la chaleur.
L’ischémie-reperfusion
Risque si les hibernateurs coordonne pas l’éveil avec l’activation du metabolisme
essentiellement une intoxication par des ROS, qui déclenchent également des réponses apoptotiques et inflammatoires
—> la chaîne de transport d’électrons (respiration) reprend trop vite après une ischémie/anoxie = lésions de reperfusion
plus graves que le manque passager d’oxygene
Ischémier-reperfusion - Lésion de reperfusion
Mécanisme
complexe I de la chaîne respiratoire de met à tourner à l’inverse (reverse electron transport),—> produit des espèces d’oxygène réactif (ROS).
Le dommage est augmenté par l’apoptose et l’inflammation.
complexe II (succinate deshydrogenase SDH) régenère l’ubiquinone (Q) en ubiquinole (QH2), tout comme complexe I
—> SDH métabolise rapidement le succinate accumulé, et surcharge la chaîne en ubiquinole (QH2)
—> L’ubiquinole en grand excès retourne l’électron au complexe I, qui se met alors à tourner à l’envers (reverse electron transport = RET) – les électrons se dissipent, et créent des espèces d’oxygène réactives (ROS)
succinate déhydrogénase
Fait partie parti du TCA/cycle de Krebs, ET de la chaîne respiratoire (complexe II)
Qu’est-ce qui arrive Lors de l’hypoxie grave à température « normale »
le succinate s’accumule. (Cycle krebs peut tourner à l’envers)
—> fumarate qui s’accumule - il vient du PNC = Purine nucleotide cycle, et du TCA). La SDH de complexe II le transforme en succinate dans une réversion de son activité normale. (aussi, le manque d’oxygène interrompe la chaîne (pas de puits à électrons). Résultat: moins d’électrons acheminées, moins de H+ pompés, moins de PMF, moins d’ATP
l’inhibition rapide de Complexe II/SDH avant la baisse de temp. Corporelle fait quoi?
évite l’accumulation du succinate
—> résistance contre l’injure par réperfusion
metformine
inhibiteur du Complexe I
—> Si Complexe I produit les ROS, est-ce qu’elle pourrait prévenir l’insulte ischémie-reperfusion? Il semblerait que oui!
HOPE = hypothermic oxygenated perfusion
rétablir la respiration (la chaine de transport d’électrons), et surtout la dernière étape au complexe IV, en même temps/avant le reste du métabolisme
