la biologie de papy - 04








QUELQUES NOTIONS A RAPPELER

Voici le sens donné ici aux termes: biologie, réaction chimique,
cellule, ADN, ARN, protéine, enzyme, hormone, rapport
sucre/azote... pour limiter les malentendus...



LA BIOLOGIE,


Si j’ouvre mon dictionnaire, je lis ceci: "Science de la vie, la biologie traite de toutes les manifestations de l’état vivant, depuis la réaction biochimique jusqu’à la vie en société. Le sujet étant très complexe, chaque aspect de cette étude a été pris en charge par une branche particulière: biochimie, cytologie, histologie, physiologie, génétique, etc, qui ont chacunes leurs buts, leurs méthodes, leurs techniques propres. Actuellement, sous le vocable de biologie (générale), on ne traite que des phénomènes vitaux fondamentaux, c.à.d. de la constitution chimique, des structures et de la physiologie des cellules, ainsi que de l’organisation et du fonctionnement général des êtres vivants". En résumé, et vue sous cet angle, l’approche qu’a aujourd’hui la biologie de l’organisme vivant repose essentiellement sur deux constatations:

1. l’organisme vivant brûle en libérant du gaz carbonique, de la vapeur d’eau, des sels minéraux (cendres) et de l’énergie. On peut donc le considérer comme le résultat visible d’une multitude de réactions chimiques, basées sur la chimie du carbone.
Lorsqu’on privilégie cette approche des choses, on fait de la "biologie moléculaire"...

2. l’organisme vivant est composé de cellules. Mieux: il est toujours constitué au départ d’une cellule qui, par divisions successives, donne naissance à une multitude d’autres cellules possédant toutes le même noyau... Deux cas pouvant être envisagés ici: Après chaque division cellulaire:
- les "cellules-filles" se séparent et poursuivent seules leur petit bonhomme de chemin. On a alors affaire à un organisme dit unicellulaire.
- les "cellules-filles" restent accolées les unes aux autres, s’organisant en un système plus ou moins complexe seul capable d’assurer la pérennité de l’espèce. On a alors affaire à un organisme pluricellulaire...
L’approche qui privilégie cet aspect des choses est appelée "biologie cellulaire".



LA NOTION DE REACTION CHIMIQUE.

Selon le dictionnaire, "une réaction chimique est la transformation d’une espèce chimique en une autre. Elle se caractérise par un échange de molécules, d’atomes, d’ions ou d’électrons..., les liaisons entre les atomes des molécules en formation devant obligatoirement être plus stables que celles des molécules initiales".

"Certaines de ces réactions ne nécessitent au départ aucun apport extérieur d’énergie. Elles se déroulent spontanément aussi bien à l’intérieur que hors de l’organisme vivant. Non spécifiques et réversibles, elles aboutissent à un état d’équilibre qui varie en fonction des conditions de température et de pression"... Exemple:

acide + base ====== sel + eau.

"Les autres réactions chimiques requièrent au départ un apport extérieur d’énergie et nécessitent de ce fait l’intervention de catalyseurs spécifiques. Elles ne sont donc ni spontanées, ni réversibles (spontanément du moins). Dans l’organisme vivant, elles sont catalysées par les enzymes, grosses molécules dont la synthèse est assurée par les cellules et l’activité soumise à l’influence du milieu. Connues sous le nom de 'réactions enzymatiques', elles ont un caractère hautement spécifique et s’inscrivent soit dans un processus de synthèse (1), soit dans un processus de dégradation (2)"... Exemple:

(1) - 6 CO2 + 6 H2O + énergie ------- C6H12O6 + 6 O2
(2) - C6H12O6 + 6 O2 ------- 6 CO2 + 6 H2O + énergie


NB. Dans l’approche qui sera faite ici de la biologie (la biologie de Papy), les réactions du premier type seront considérées comme des réactions de régulation... Ce qui paraît assez logique puisque, dans le monde qui nous entoure, un système qui n’est pas en équilibre n’a guère d’autres choix que de retrouver cet équilibre ou de se casser la pipe



LA NOTION DE CELLULE .

On a coutume de comparer la cellule à une minuscule usine chimique dont le sol, les murs, le toit sont représentés par les parois cellulaires..., des parois dont la perméabilité tient lieu de portes, de fenêtres, de cheminées et autres vide-ordures.

Cette usine est entièrement informatisée. Son activité est en effet régie par une sorte d’ordinateur appelé noyau. Dans ce noyau, une série de disquettes qui vont le plus souvent par paires: les chromosomes. Sur ces chromosomes, un nombre plus ou moins grand d’informations codées, les gènes..., le code utilisé étant de ce fait appelé "code génétique".

Ces gènes, dont le nombre varie de quelques centaines chez les organismes les plus simples à plusieurs dizaines de milliers chez les organismes les plus complexes, représentent donc le programme génétique de l’organisme :
- Un programme qui se transmet de générations en générations et que l’on retrouve dans chacune des cellules d’un même organisme (les gènes se dédoublent à chaque division cellulaire)...
- Un programme qui, en dehors des périodes de divisions cellulaires, conditionne tout ce qui se passe dans la cellule en assurant la synthèse des enzymes.

En dehors des périodes de division cellulaire, les gènes sont en effet généralement inactifs. Ils n’entrent en activité qu’à certains moments, en fonction de données fournies par la cellule (on considère aujourd’hui que certaines hormones peuvent jouer ici un rôle important). Ils représentent alors la mémoire vive du noyau, mémoire qui conditionne à court terme toute l’activité des cellules, et à plus long terme toute l’évolution de l’organisme.



ADN ( ACIDE DESOXY-RIBONUCLEIQUE )

Nous avons comparé le noyau de la cellule à un ordinateur dont la mémoire serait représentée par les gènes.

Les gènes sont constitués d’ADN. Leur nombre varie de quelques centaines pour les organismes les plus simples à 30 ou 50000 chez l’homme. Ils portent en eux toutes les informations qui sont nécessaires à l’organisme pour passer du stade unicellulaire (l’oeuf) à l’embryon, de l’embryon à la jeunesse, de la jeunesse à l’âge adulte, à la vieillesse et à la mort.

Cet ADN se présente sous forme de longues molécules en doubles chaînes, comparables à des braguettes... des braguettes un peu particulières puisqu’elles possèdent deux types de boutons et de boutonnières, indifféremment placé(e)s sur l’un ou l’autre des brins de la double chaîne, mais toujours en correspondance: les fameux groupes Adénine/Thymine et Guanine/Cytosine, dits AT et GC, qui reposent sur l’attraction exercée par un ion hydrogène chargé positivement (H+) sur deux molécules de charges électro-négatives.

Comme toutes braguettes qui se respectent, les doubles chaînes d’ADN sont généralement fermées: les gènes sont alors dits inactifs ou réprimés... Comme toutes braguettes qui se respectent, ces mêmes doubles chaînes s’entrouvrent de temps à autre: les gènes sont alors dits actifs ou déréprimés... Pourquoi? parce qu’en s’entrouvrant, ils permettent à des enzymes dites ARN-polymérases de synthétiser quelques molécules d’ARN, une substance voisine de l’ADN dont nous allons parler maintenant.



ARN ( ACIDES RIBONUCLEIQUES).

L’ARN se présente sous forme de longues molécules à un brin, répliques conformes de l’un des brins des doubles chaînes d’ADN à partir desquelles elles ont été synthétisées. Ces molécules fraîchement synthétisées vont alors migrer jusqu’à des structures proches du noyau, les ribosomes, où l’information génétique qu’elles véhiculent sera décodée et matériellement transcrite en protéines.

Du fait que sa structure en double chaîne repose sur l’existence des groupes AT et GC, la molécule d’ADN (la mémoire cachée de cet ordinateur qu’est le noyau) a un caractère binaire, dont il semble difficile de faire abstraction si l’on veut comprendre son mode d’action (voir plus loin)... Le problème de l’ARN (la mémoire vive de ce même ordinateur) est par contre différent. On a affaire ici à une molécule à un seul brin, caractérisée par une séquence de quatre molécules (A, T, G, C). Exemple:

ADN 117 ATGCCGTATAATGATCGTTTCGATAATG
TACGGCATATTACTAGCAAAGCTATTAC

ARN 117 TACGGCATATTACTAGCAAAGCTATTAC



PROTEINES ET ENZYMES.

Les protéines sont de grosses molécules tarabiscotées. Composées d’un vingtaine d’acides aminés différents, elles possèdent une structure primaire, secondaire et tertiaire qui leur confère, tant du point de vue chimique que physiologique, une très grande spécificité. On les classe en trois catégories en fonction de leur taille, de leur solubilité et du rôle qu’elles jouent dans l’organisme: les protéines de structure, les protéines de réserve, les protéines actives ou enzymes. C’est à ces dernières que nous allons nous intéresser ici.

Relativement petites, solubles et mobiles, les enzymes sont des sortes de catalyseurs organiques. Elles initient chacune une réaction chimique très spécifique à l’intérieur de la cellule. Ces réactions sont dites enzymatiques. Elles s’inscrivent toujours dans un des multiples processus de synthèse ou de respiration dont l’ensemble va déterminer, à court terme toute l’activité de l’organisme, à plus long terme toute son évolution (croissance, différenciation, reproduction, sénescence, sensibilité ou résistance à telle ou telle maladie). D’où le schéma bien connu:

ADN ---- ARN ---- ENZYME ---- REACTION BIOCHIMIQUE


Reste à évoquer ici une évidence. Pour qu’une de ces réactions de synthèse ou de respiration ait lieu, il faut deux choses:
- il faut bien évidemment que l’enzyme correspondante soit présente dans la cellule (autrement dit, il faut qu’elle ait été synthétisée par le noyau),
- il faut aussi qu’elle soit active.

Un vieux principe de philosophie dit en effet: "on agit comme on est". Et les enzymes, du fait de leur structure tarabiscotée, de leur taille (relativement petite) et de leur solubilité (relativement grande), sont très sensibles aux conditions de température, de lumière, d’humidité, de pH, et bien évidemment de nutrition régnant dans la cellule. Ainsi:
- une enzyme faisant partie du groupe des cellulases ne pourra transformer le saccharose en cellulose que s’il y a du saccharose dans la cellule.
- elle pourra être active à 25°C, inactive à 18 ou 30°C.
- elle pourra être active le jour et inactive la nuit, si elle a comme groupe prosthétique un pigment coloré excité par certaines ondes lumineuses (il ne semble pas que ce soit le cas des cellulases, mais passons sur ce détail).
- elle pourra être active lorsque l’organisme dispose d’eau en quantité suffisante, et voir son activité ralentie ou stoppée en période de sécheresse.
- elle pourra enfin être active à pH 6 et inactive à pH7... .

Tous ces phénomènes qui régulent l’activité enzymatique sont donc essentiellement des phénomènes d’équilibre. Nous verrons par la suite que, dans la biologie de Papy, il en va de même en ce qui concerne les phénomènes contrôlant la synthèse des enzymes.



LA NOTION D’ HORMONES.

Si j’ouvre à nouveau mon dictionnaire, je lis maintenant ceci: "Dans le règne animal, les hormones sont des substances relativement simples, de poids moléculaire peu élevé. Elles ont des structures chimiques très variées et dérivent du cholestérol, des protides, des acides aminés, etc. Projetées dans le courant circulatoire qui baigne l’ensemble des tissus, elles y agissent à des concentrations infimes. Toute hormone se comporte en effet comme un messager transmetteur d’une information à laquelle seules sont sensibles les cellules pourvues de récepteurs membraniques spécifiques, ou de protéines cytoplasmiques capables de véhiculer la molécule hormonale informative. Selon la nature chimique de l’hormone, la transmission de l’information à la cellule cible se ramène à trois mécanismes différents:
- les acides aminés, leurs dérivés et les petites molécules d’origines diverses (thyroxine, adrénaline, etc) se fixent sur la face externe des membranes cellulaires, au niveau de récepteurs spécifiques où leur simple présence déclanche une stimulation générale de l’activité cellulaire.
- les hormones polypeptidiques ont un effet analogue, à cette différence près que leurs récepteurs spécifiques sont situés sur la paroi intérieure des membranes cellulaires,
- les hormones stéroïdes enfin se lient à l’intérieur du cytoplasme à une protéine spécifique et deviennent alors directement actives pour modifier la transcription des gènes sur l’ARN-messager".

Les hormones constituent donc une catégorie de substances très différente des autres catégories de substances présentes dans l’organime. Lorsqu’on parle d’un sucre, d’un alcool, d’une graisse, d’un acide aminé, d’une protéine, d’un acide nucléique, etc..., on sait que, quelles que soient leurs différences, ces substances ont en commun un certain nombre de caractéristiques chimiques qui permettent de se faire une idée précise du genre d’activité qu’elles vont exercer dans l’organisme. Et à l’évidence, il n’en va pas de même en ce qui concerne les hormones...

On regroupe en fait sous ce vocable une série de substances sans réelle parenté chimique, mais qui ont cependant en commun le fait d’exister dans l’organisme en très petites quantités, de s’y balader et d’y jouer un rôle difficile à appréhender de façon précise. Tout bêtement d'une part parce que les substances que nous appelons "hormones" appartiennent à des groupes chimiques très différents les uns des autres... Tout bêtement d'autre part parce que nous n'en connaissons que les formes baladeuses et non les formes actives. C'est du moins le sentiment de Papy...



"Par analogie, on appelle hormones végétales des substances produites par les végétaux et indispensables à leur croissance". Cette analyse faite du problème par notre brave dictionnaire étant un peu légère, il peut être utile d’y ajouter ceci: Il existe dans le règne végétal deux types de substances, issues les unes du métabolisme azoté (les auxines), les autres du métabolisme carboné (les gibbérellines), et auxquelles on a donné le nom d’hormones de croissance parce que c’est en étudiant la croissance des plantes qu’on les a découvertes. Molécules simples, caractérisées par un noyau cyclique insaturé et relativement faciles à synthétiser, on les trouve dans le commerce sous forme de poudres solubles dans l’alcool.

Auxines et gibbérellines ont en commun deux caractéristiques:
- elles se baladent dans la plante et se rencontrent dans tous les tissus végétaux,
- elles agissent toujours, partout et à tous les niveaux, cette action variant en fonction de la dose utilisée, de l’âge et de l’état physiologique de la plante, des conditions de milieu et des hormones déjà présentes dans les tissus. Toujours, c.à.d. au niveau de la croissance, de la différenciation, de la reproduction, de la sénescence, de la sensibilité ou de la résistance à telle ou telle maladie... Partout: c.à.d. dans les racines, les tiges, les feuilles, les fleurs et les fruits... A tous les niveaux, c.à.d. au niveau du métabolisme fondamental, du métabolisme intermédiaire et de l’aspect phénotypique des plantes...

La plus connue des auxines est l’acide indol-acétique ou AIA. La plus connue des gibbérellines est l’acide gibbérellique ou AG. Leurs structures tout comme leurs chaînes de synthèse donnent à penser qu’elles sont respectivement voisines des sérotonines et des hormones stéroïdes du règne animal.



LE RAPPORT SUCRES / AZOTE.

Les plantes jeunes sont pauvres en sucres et riches en azote, les plantes âgées pauvres en azote et riches en sucres. Est-ce le résultat d’une sélection naturelle, les plantes jeunes ayant besoin de beaucoup d’azote pour assurer leur croissance? Les plantes âgées sont-elles diabétiques par nature? Je n’en sais rien. Disons que c’est comme ça parce que c’est comme ça. Ce qui est certain, c’est que ce phénomène conditionne la plupart des pratiques culturales, en agriculture (de façon générale) et en arboriculture (en particulier)... le but de ces pratiques étant d’obtenir une récolte aussi bonne que possible. Attendu que les arbres jeunes ne donnent pas de fruits, attendu que les arbres âgés en donnent de moins en moins..., la conclusion est facile à trouver: il faut maintenir les arbres en état de produire, c.à.d. dans un état physiologique intermédiaire entre la jeunesse et la sénescence... En d’autres termes, il faut veiller à ce que leurs tissus ne soient ni trop riches ni trop pauvres en sucres, ni trop riches ni trop pauvres en azote.

Ainsi l’hiver venu, lorsque la montée de la sève est ralentie, l’arboriculteur prend son sécateur et se met à tailler ses arbres. A-t-il besoin de petit bois pour pour alimenter sa cheminée? Pas vraiment. Il le fait parce qu’en supprimant une partie des branches, il supprime aussi les feuilles qui, au printemps, se seraient mises à pousser sur ces branches. Les feuilles doivent en effet leur couleur verte à la chlorophylle, pigment captant l’énergie lumineuse pour assurer la synthèse des sucres à partir du gaz carbonique présent dans l’air et absorbé par les stomates, et de l’eau puisée dans le sol par les racines. Selon la formule bien connue:

6 CO2 + 6 H2O + énergie lumineuse ---- C6 H12 O6 + 6 O2

En fait, par une taille plus ou moins sévère, l’arboriculteur cherche à contrôler la capacité de l’arbre à synthétiser les sucres, en fonction de son âge, de son état physiologique et du genre culture qu’il veut pratiquer. Il ne taillera pas ses arbres de la même façon selon qu’il recherche des arbres se mettant à produire rapidement (des arbres de taille réduite mais dont la durée de vie sera relativement courte) ou des arbres de taille plus importante, dont le rendement sera plus tardif et la durée de vie plus longue..., selon que ses arbres sont jeunes ou âgés..., selon que le sol dans lequel ils sont plantés est plus ou moins riche en azote... etc.

Rappelons que les sucres représentent pour les plantes, comme pour tous les autres organismes vivants, non seulement la source énergétique dont ils ont besoin pour toute activité physiologique, mais aussi l’élément de base indispensable à la fabrication de tous les autres composants organiques (cellulose, lignine, graisses, protéines, acides nucléiques etc).


Et puis, le printemps venu, ce même arboriculteur va enfouir dans le sol des engrais. La végétation reprend. Il faut que l’arbre, grâce à ses racines, trouve maintenant dans ce sol tous les éléments minéraux dont il a besoin. Notemment de l’azote, complément indispensable des sucres pour la fabrication des protéines, acides nucléiques et autres substances azotées. Pas en trop grande quantité non plus. Juste ce qu’il faut pour assurer sa croissance lorsqu’il est jeune, une bonne récolte lorsqu’il est devenu adulte, ou pour lui donner un regain de jeunesse lorsqu’il vieillit...


J’ai introduit ce paragraphe sur l’importance du rapport sucres/azote en agriculture parce que Papy s’en est servi pour étudier l’influence des hormones sur le développement des plantes. Ce que j’avais personnellement bien du mal à comprendre, ma prof de biologie n’ayant jamais abordé le sujet. Il faut dire que c’était une pure biologiste, pas une arboricultrice.



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