La vaccination constitue une révolution majeure dans le monde de la médecine. Grâce à elle, des millions de vie ont pu être sauvées à travers le monde. Associée à des mesures d’hygiène elle a permis de combattre des maladies infectieuses potentiellement mortelles jusqu’à la disparition de certaines d’entre elles telles que la variole.

De la découverte du principe de la vaccination par Edward Jenner à sa mise en œuvre par Louis Pasteur, de nombreux vaccins ont vu le jour en suivant différents procédés de fabrication. Mais l’objectif reste  le même, à savoir déclencher une protection efficace et durable contre un agent pathogène donné (bactérie ou virus) tout en limitant les risques potentiels.

Et aujourd’hui plus que jamais, l’enjeu est de taille pour tenter de contrôler la propagation de l’épidémie de COVID-19 dans le monde.

A travers cet article nous allons tenter de comprendre le principe de la vaccination, son histoire et les enjeux majeurs qui en découlent.

I Histoire de la vaccination

1) La variolisation

Les premiers principes de la vaccination remontent au 7eme siècle de notre ère en Inde où des bouddhistes buvaient du venin de serpent afin de s’immuniser contre cette toxine. Des écrits du 17ème siècle rapportent que la variolisation, ancêtre de la vaccination était déjà pratiquée en Chine. Elle consistait à prélever du pus séché issu de pustules de malades de la variole pour l’injecter ensuite à des enfants sains dans le but d’immuniser ces derniers.

Cette pratique n’est apparue en occident qu’en 1721 suite aux récits rapportés par Lady Mary Wortley Montagu de retour d’un voyage à Constantinople. Elle rapporte qu’en orient la variole n’est pas grand-chose grâce à la pratique de la variolisation. Intriguée, la cour d’Angleterre le fait tester sur les prisonniers criminels et sur des enfants nécessiteux. Face à son succès, elle décide même de l’appliquer sur les   deux petites filles du roi Georges Ier âgées respectivement de 9 et 11 ans. La variolisation s’étend alors sur tout le contient, avec toutefois un risque de mortalité élevé, de l’ordre de 1 sur 50 au début du 18ème siècle. Son principe a également été appliqué à d’autres pathologies telles que la rougeole ou encore la syphilis.

2) La vaccination

En 1774, Benjamin Jetsy, éleveur de bétail anglais s’aperçoit que les fermières qui trayaient les vaches, ne contractaient jamais la variole alors qu’elles avaient toutes été infectées par la variole de la vache appelée « vaccine ». Il décide alors d’inoculer cette dernière à ses enfants et sa femme afin de les protéger contre la variole.

A cette même période, Edward Jenner, un médecin anglais qui exerçait à la campagne fit les mêmes constatations. Il posa alors l’hypothèse selon laquelle, la vaccine jouerait le rôle d’un « vaccin vivant atténué » contre la variole. En 1776, il vaccine un jeune garçon en injectant le pus d’une fermière contaminée par la vaccine. L’enfant ne contracte pas la variole. Le principe de la vaccination était né.

Mais Edward Jenner ne développe pas cette technique et l’utilise uniquement pour soigner la variole. Et il faudra attendre les travaux de Louis Pasteur à la fin du 19ème siècle pour que les premiers vaccins voient le jour.

En 1877 Louis Pasteur réussit à cultiver la bactérie causant le choléra chez les poulets. Mais son assistant oublie les cultures avant de partir en voyage, et les injecte seulement quelques semaines plus tard aux poulets. A la surprise générale, ces derniers ne tombent pas malades. Pasteur en conclut alors que les bactéries ont perdu leur virulence pendant le voyage, et que tout agent pathogène qu’on pourrait inactiver ferait potentiellement un bon vaccin. Il découvre ensuite comment atténuer le virus de l’anthrax et celui de la rage. Il observe que celui-ci perd sa virulence en passant d’un animal à un autre. Il répand alors la rage dans toute une série de lapins et prélève au dernier un peu de moelle épinière qu’il injecte à 50 chiens, réussissant ainsi à les immuniser.

En 1885, il parvient à sauver la vie d’un enfant de 9 ans, Joseph Meister qui avait été mordu par un chien enragé en lui injectant une série de doses de virus rabique de moins en moins atténuées.

Il publie alors un article en décrivant le cas. L’histoire fait le tour du monde et les dons affluent conduisant à la création de l’Institut Pasteur.

Durant tout le 20^ème siècle on assiste à l’apparition d’un grand nombre de vaccins grâce notamment aux progrès scientifiques dans les domaines de l’immunologie et de la microbiologie.

II Le principe de la vaccination

La vaccination consiste à administrer à un individu sain un agent non pathogène (virus, bactérie) sous forme inactivée, atténuée ou des fragments de ce dernier. L’objectif étant de déclencher une réaction immunitaire qui va permettre à l’organisme de constituer ses armes en prévention d’une future « vraie » attaque. La vaccination permet en effet de développer des cellules immunitaires dites “mémoires”, capables de reconnaître plus rapidement l’agent pathogène s’il venait à infecter l’organisme par la suite. Mais ces cellules mémoires ont tendance à diminuer avec le temps et des piqures de rappel sont parfois nécessaires.

1) La réponse vaccinale

Lors de la première administration du vaccin, l’agent infectieux ou les fragments de ce dernier (antigènes) sont repérés et détruits par les cellules phagocytaires (macrophages, cellules dendritiques). Après les phases d’ingestion et de digestion, celles-ci vont présenter à leur surface certains fragments antigéniques associées au Complexe Majeur d’Histocompatibilité de type II (CMHII). On parle alors de cellules présentatrices d’antigènes ou CPA, qui après une cascade de réactions inflammatoires migrent vers le ganglion lymphatique le plus proche pour présenter les antigènes aux lymphocytes T CD4 naïfs. Les LTCD4 jouent un rôle prépondérant dans l’adaptation de la réponse immunitaire.

En effet, ces cellules appelées auxiliaires ou « helpers » interviennent dans la prolifération  et la différenciation des lymphocytes B et T8 via la production de diverses cytokines.

Elles stimulent ainsi la différenciation des LTCD8 en LT8 mémoires et LT cytotoxiques capables de détruire directement les agents pathogènes, c’est ce que l’on appelle la réponse cellulaire.

Quant aux lymphocytes B, qui jouent également le rôle de CPA, elles vont s’activer au contact de l’antigène vaccinal et se différencier en plasmocytes producteurs d’anticorps de faible affinité (IgM). Ce qui constitue la réponse dite humorale. Mais sous l’impulsion des LT4, les LB vont se transformer en plasmocytes producteurs d’anticorps de plus forte affinité (IgA et IgG) et en lymphocytes mémoires. Les anticorps ainsi produits vont être capables de reconnaitre directement l’antigène avant que l’agent pathogène ne pénètre dans la cellule. Cette propriété sera conservée dans les cellules B mémoires qui pourront,  à l’avenir intervenir plus rapidement.

En réalisant une vaccination, nous créons une sélection de lymphocytes et mettons en route une réaction immunitaire dite adaptative. De ce fait notre corps va produire des populations mémoires de LB et LT et avoir dans le sang une charge suffisamment importante d’anticorps pour nous protéger lors d’un éventuel futur contact avec le “vrai” pathogène.

2) Les différents types de pathogènes

On dénombre actuellement trois grands groupes de pathogènes pour lesquels il existe ou sont à l’essai des vaccins :

3) Les différents types de vaccins

On distingue deux grandes classes de vaccins : les vaccins vivants atténués et les vaccins inertes (germe entier ou sous-unités). Un vaccin doit posséder trois grandes caractéristiques :

– Etre efficace : induire une mémoire immunitaire et être durable

– Présenter une grande sécurité d’emploi

– Etre facile à administrer en termes de modalité et de nombre d’administrations

a) Les vaccins vivants atténués

Ils constituent les premiers types dans l’histoire vaccinale. Un vaccin vivant atténué contient l’agent infectieux vivant dont le pouvoir pathogène est affaibli selon différents procédés. Il induit une forme atténuée de la maladie tout en stimulant les défenses immunitaires de l’organisme. Sa principale qualité réside dans sa capacité à provoquer une réponse immunitaire rapide, efficace et durable. Ce type de vaccin ne nécessite pas d’adjuvant et un petit nombre de rappels suffit. Mais il présente un risque d’exposition à la maladie vaccinale qui ne peut pas être négligé notamment chez les personnes immunodéprimées et les femmes enceintes.

Voici quelques exemples de vaccins vivants atténués :

b) Les vaccins inertes

La voie d’administration la plus fréquente est la voie sous-cutanée sauf pour le vaccin contre le BCG qui est administré par voie intradermique afin d’activer plus rapidement les cellules dendritiques présentatrices d’antigène. Il existe la voie muqueuse (buccale, nasale) pour des vaccins d’infections digestives (gastro-entérite) ou respiratoires (grippe).

Dépourvus de tout pouvoir pathogène, ces vaccins ont besoin pour être efficaces l’ajout d’adjuvants et des administrations répétées tout au long de la vie. Ils regroupent des vaccins à germes entiers et des vaccins sous-unitaires.

• A germe entier

Ils contiennent tout le corps bactérien ou viral dont le pouvoir pathogène est inactivé par différents procédés thermiques ou chimiques. Ils sont ainsi dotés du pouvoir immunogène sans risque d’exposition à la maladie vaccinale. En voici quelques exemples:

– Grippe

– Poliomyélite

– Hépatite A

– Rage

– Leptospirose

– Choléra

La difficulté réside à inactiver le virus ou la bactérie sans dénaturer ses composants afin qu’il reste immunogène. Trop dénaturé, le virus n’induira pas une réponse immunitaire protectrice et pas assez inactivé, il peut être dangereux pour le vacciné.

En général, l’immunité induite par les vaccins inactivés est moins forte et moins durable que celle des vaccins vivants. C’est la raison pour laquelle le développement des vaccins vivants perdure mais leur utilisation requiert beaucoup de contraintes notamment au niveau de la chaine du froid.

Par ailleurs de nombreuses réactions inflammatoires ont été associées à ce type de vaccin contrairement à leurs homologues sous-unitaires.

• Sous-unités

Ces vaccins contiennent seulement des fractions antigéniques du pathogène responsables de la réponse immunitaire. Cette sous-unité immunisante peut être obtenue de différentes façons :

-A partir des composants de l’agent infectieux lui-même, par exemple :

• De ses protéines : coqueluche, rage
• Des anatoxines : diphtérie, tétanos
• Des polyosides composant son enveloppe : pneumocoque, méningocoque

– Issues du génie génétique :

• Hépatite B, coqueluche, papillomavirus

Le développement du génie génétique a ainsi donné un nouvel essor à ce type de vaccins induisant une réponse immunitaire plus efficace. L’ajout d’adjuvants et la conjugaison à des protéines recombinantes permettent également d’améliorer l’immunogénicité des vaccins sous-unité.

c) Les vaccins conjugués

Ces vaccins sont composés d’une fraction de l’agent infectieux  (polysaccharides à la surface des bactéries par exemple) associée à une protéine porteuse qui va engendrer une meilleure réponse vaccinale.

Les polysaccharides, seuls, n’entrainent pas une réponse immunitaire suffisante à court ou long terme. De plus ces sucres présents dans la capsule bactérienne, ne provoquent l’immunité qu’à partir de l’âge de deux ans chez l’enfant et pas avant.

Les chercheurs ont alors eu l’idée de coupler ces molécules avec des composés de plus haut poids moléculaire et une plus forte affinité que sont les protéines. La conjugaison à ces molécules très immunogènes a montré son efficacité avec des vaccins contre l’Haemophilus Infuenzae de type b, le méningocoque ou encore le pneumocoque. Les protéines porteuses les plus utilisées sont les anatoxines des bacilles du tétanos, de la diphtérie ou de la coqueluche.

Cela permet notamment d’induire une protection durable en stimulant les LTCD4 responsables d’une réponse immunitaire de type mémoire et de générer une immunogénicité dès l’âge de 2 mois.

4) De quoi est constitué un vaccin

a) Un agent infectieux

Le principal composant d’un vaccin dérive de l’agent infectieux et a pour but de stimuler la réponse immunitaire. Il peut être dilué dans de l’eau salée ou stérile.

b) Un agent de conservation

Permet d’empêcher la contamination par des microbes ou champignons.

Exemples: Le thiomersal présent dans le vaccin de la grippe

c) Des stabilisants ou stabilisateurs

Qui servent à garder la qualité du vaccin pendant le stockage.

• Protéines : albumine d’œuf, gélatine
• Sucres : lactose, saccharose

d) Un adjuvant

Qui permet d’améliorer l’immunogénicité du vaccin.

• Sels d’aluminium (hydroxyde, phosphate ou disulfate) prolongent la persistance de l’antigène dans le corps et entrainent ainsi une réaction immunitaire plus durable. Ils stimulent également une réponse inflammatoire qui provoque l’activation des phagocytes et lymphocytes T auxiliaires.
• Squalène, nouvel adjuvant à base d’émulsion « huile-dans-l’eau » qui va générer une libération lente de l’antigène dans le but de faire durer la stimulation du système immunitaire.

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1- La théorie mendélienne

Dès 1900, des chercheurs redécouvrent les lois de Mendel en les expérimentant sur d’autres espèces. La théorie mendélienne de l’hérédité est née. Cette théorie comprend :

– la loi d’homogénéité des hybrides de première génération

– la loi de pureté des gamètes

– la loi de ségrégation chez les hybrides

2- La théorie chromosomique de l’hérédité

Au début du XXème siècle, des cytologistes étudient les comportements des chromosomes  dans les cellules lors des mitose et méiose. Ainsi Walter S. Sutton s’intéresse aux chromosomes d’une sauterelle lors de la méiose. Il constate qu’il peut classer les 23 chromosomes selon leur taille en 11 paires + 1 solitaire, le chromosome X. Il donne ainsi naissance à la théorie chromosomique de l’hérédité.

3- Les travaux de Morgan

Morgan travaille dans les années 1910 sur la drosophile qui présente de nombreux atouts pour la recherche génétique :

– Descendance nombreuse et rapide

– quatre paires de chromosomes par cellule

L’étude portait sur une mutation sur la couleur des yeux (yeux rouges remplacés par yeux blancs).

Il constate ainsi que lorsqu’il croise un mâle aux yeux blancs avec une femelle aux yeux rouges, il obtient une descendance F1 homogène ne portant que des yeux rouges. Ensuite en croisant un mâle F1 avec une femelle F1, cela aboutit à une lignée F2 hétérogène où seuls les mâles ont des yeux blancs. Morgan en conclut à un lien entre les chromosomes sexuels et le facteur “couleur des yeux” et localise même ce facteur sur le chromosome X. Les travaux de Morgan confirment alors la théorie chromosomique de l’hérédité.

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L’infection correspond à la pénétration d’un élément étranger (virus, bactéries…) dans l’organisme. Aujourd’hui dans le monde au moins 40 millions de personnes seraient séropositives ou atteintes par le sida (syndrome d’immunodéficience acquise).

1- Le Virus

En 1981, une nouvelle maladie est reconnue en Californie. Les défenses immunitaires du sujet atteint sont affaiblies, ce qui rend les maladies opportunistes (pneumonie, tuberculose) mortelles. Le virus de l’immunodéficience humaine (VIH ou HIV en anglais) est identifié en 1983.

Il peut être transmis par différentes voies :

– sexuelle

– sanguine (transfusion, piqûre avec aiguille souillée)

– grossesse (de la mère à l’enfant)

Le VIH est un virus à ARN ou rétrovirus. Il s’agit d’une petite structure de 100 nm de diamètre limité par une enveloppe lipidique possédant le protéine GP120. A l’intérieur se trouve la capside protidique renfermant des enzymes et le génome constitué de deux molécules d’ARN monocaténaires.

2- La primo-infection

Dure de 2 à 8 semaines. La charge virale (taux de virus circulant) atteint une valeur maximale. Le patient peut avoir les symptômes suivants : fièvre, ganglions, courbatures, fatigue, gorge rouge, éruption cutanée qui disparaissent en un mois.

– Contamination

Période ou le virus pénètre dans l’organisme grâce à ses glycoprotéines membranaires (GP120, GP41) qui reconnaissent et se fixent aux récepteurs CD4 des cellules cibles.

– Internalisation

Lorsque la molécule GP120 se lie au récepteur CD4, l’enveloppe virale fusionne avec la membrane plasmique de la cellule cible et la capside virale est libérée dans le cytoplasme de cette cellule.

– Synthèse ADN viral

Au sein du cytoplasme de la cellule infectée, la capside virale libère les deux molécules d’ARN et deux molécules de transcriptase inverse.

Cette enzyme transforme l’ARN viral en ADN double brin en 3 étapes :

– l’enzyme synthétise un brin d’ADN complémentaire à l’ARN viral

– ensuite l’ARN viral est détruit

– et l’enzyme synthétise un second brin d’ADN complémentaire au premier

Ensuite l’intégrase insère cet ADN dans le chromosome de la cellule parasitée. On l’appelle provirus.

Le provirus peut longtemps rester muet. Dans certaines conditions le génome viral peut être activé, les gènes du VIH sont alors transcrits et traduits en protéines virales.

Ensuite il y a assemblage des particules virales et libération des nouveaux virus produits. Un bourgeon se forme incluant la capside puis se détache de la cellule hôte. Les nouveaux virions formés sont immédiatement capables d’infecter une cellule saine. Cette libération a lieu essentiellement au niveau des organes lymphoides (ganglions lymphatiques, rate, moelle osseuse) riches en leucocytes.

Suite à cette primo-infection, le système immunitaire détecte le VIH et produit:

– des anticorps anti-VIH, protéines circulantes

– et des lymphocytes T tueurs ou cytotoxiques (nommés aussi LTc ou T8) capables de détruire les cellules infectées ; et le nombre de virus dans le sang diminue progressivement.

Chez un sujet non soigné, l’évolution de la maladie est lente. Les marqueurs les plus importants de l’évolution de la maladie sont :

– la charge virale, nombre de virions détectés dans le sang

– la concentration des lymphocytes T4. Porteurs de la protéine CD4, les lymphocytes T4 sont la cible du virus.

– la concentration des anticorps anti-VIH. Les protéines virales, en particulier la protéine GP120 sont des antigènes : le système immunitaire fabrique des anticorps anti-GP120.

La fin de période de primo-infection est marquée par la détection des anticorps anti-VIH dans le sang ou séropositivité.

II Séropositivité et sida

La séropositivité correspond à la présence d’anticorps anti-VIH . Ces derniers peuvent être détectés par les techniques de biologie moléculaire (Test ELISA, Western Blot).

1- La phase asymptomatique

Pendant plusieurs années, la prolifération du virus est contrôlée par le système immunitaire. C’est la phase asymptomatique. En même temps que l’augmentation des anticorps anti-VIH, des LT cytotoxiques continuent de se multiplier. Les défenses immunitaires restent actives mais la quantité de virus continue d’augmenter et le taux de lymphocytes T4 chute sensiblement. Tant que le taux de ces derniers reste supérieur à 200 cellules/mm3, le sujet reste dans la phase asymptomatique.

2- La phase symptomatique

Lorsqu’il n’y a plus assez de LT4, une déficience acquise s’installe. Le sida se caractérise par un ensemble de maladies opportunistes :

– diarrhées

– pneumopathies

– tuberculose

– toxoplasmose

– cytomégalovirus

– cancers (sarcome de kaposi, lymphome…) qui vont entraîner la mort du malade.

III Tests ELISA de dépistage du sida

De nombreux tests de dépistage ont été conçus pour identifier les sujets infectés. Les plus simples sont basés sur la recherche des anticorps anti-VIH et notamment anti-GP120.

Sur de petites plaques de polystyrène, on fixe les anticorps GP120. Et on fixe sur les anticorps anti-GP120 une enzyme capable de transformer un substrat incolore S en un produit jaune.

Si on teste deux plasmas sanguins :

– d’un sujet infecté

Une goutte de plasma est déposée sur la plaque. Les anticorps anti-VIH produits par sujet atteint vont se fixer sur les antigènes viraux GP120.

Ensuite une goutte du réactif anticorps anti-VIH-enzyme. Les antigènes GP120 étant masqués ne peuvent se lier aux anticorps; ils sont éliminés par lavage.

Enfin on ajoute le substrat S mais les enzymes étant chassés par lavage, il n’y pas de coloration jaune.

– et d’un sujet sain

De même une goutte de plasma est déposée sur la plaque. Les anticorps anti-VIH étant absents, les antigènes GP120 restent libres.

Ensuite le réactif anticorps anti-VIH-enzyme est ajouté. Les anticorps reconnaissent les antigènes et s’y fixent.

Enfin le substrat est ajouté après lavage. les anticorps anti-GP120 portants les enzymes étant présents, le substrat prend une coloration jeune.

IV Vaccination et mémoire immunitaire

1- Vaccin ou sérum

On sait qu’une personne atteinte de certaines maladies infectieuses (rougeole, tetanos…) est après guérison, protégé d’une seconde atteinte de la même maladie, et ce parfois toute la vie.

Le système immunitaire garde donc la mémoire d’une primo-infection. Cette mémoire est due à la présence d’anticorps, de cellules T8 et de cellules T4 en quantité suffisante pour qu’une nouvelle agression soit immédiatement enrayée.

Le but de la vaccination est de provoquer l’apparition d’anticorps en injectant à un sujet des formes atténuées des germes ou antigènes.

2- Problématique avec le sida

Des vaccins ont été mis au point contre différents virus. Dans le cas du VIH, la mise au point d’un vaccin s’avère difficile à cause de la variabilité des protéines virales : le VIH mutant constamment, la difficulté réside dans l’identification d’une protéine invariable et accessible à la surface du virus.

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Les anticorps sont les effecteurs de la réponse immunitaire acquise. Ils sont produits par les Lymphocytes B transformés en plasmocytes.

1- La structure des anticorps

L’anticorps est une immunoglobuline circulant dans le milieu intérieur ( sang, lymphe). Il est constitué de 4 chaînes polypeptidiques (deux chaines lourdes et deux chaînes légères) reliées entre elles par des ponts disulfures.

La plus grande partie de l’anticorps forme la partie constante et ses extrémités forment la partie variable qui va fixer l’antigène. La spécificité de l’anticorps dépend de sa partie variable.

L’association antigène-anticorps forme le complexe immun.

2- Les mécanismes d’action

La présence d’un antigène est détectée par les lymphocytes B qui se multiplient et se différencient soit en LB mémoires à longue durée de vie ou en plasmocytes (à courte durée de vie). Ces derniers vont sécréter des immunoglobulines dans le sang ou la lymphe. La fixation de l’anticorps à l’antigène forme un complexe immun qui sera reconnu par les macrophages responsables de l’élimination par phagocytose. Des protéines du sérum (ou complément) s’associent au complexe immun et lysent l’antigène.

Les LT4 donnent un clone de LT auxiliaires qui vont stimuler les LB et les LT8 pour les activer. Cette activation se fait grâce à des messagers chimiques, interleukines sécrétés par les LT4 auxiliaires. Ces lymphocytes auxiliaires sont les pivots des réactions immunitaires. C’est pourquoi il y a une immunodéficience acquise lors de l’infection par le VIH par destruction de ces derniers.

Il y aura également un clone de lymphocytes auxiliaires mémoires (longue durée de vie) qui vont pouvoir reconnaître tout au long de leur vie l’antigène à l’origine de leur formation.

Les lymphocytes T4 et T8 vont reconnaitre les cellules infectées grâce aux antigènes présentes à la surface de ces dernières.

Les LT8 activés se multiplient et se différencient en lymphocytes T cytotoxiques capables de détruire les cellules infectées.

3- La maturation

Les LB et LT sont produits dans la moelle osseuse. Et c’est là que les LB terminent leur maturation. Alors que les LT pour finir leur maturation devront passer dans le thymus.

Ensuite ces lymphocytes se différencieront dans les organes lymphoïdes secondaires (ganglions lymphatiques).

II Des cellules effectrices

1- Le macrophage

Intervient dans la phagocytose et dans la stimulation des lymphocytes T4 spécifiques de l’antigène.

La phagocytose débute par l’attraction par chimiotactisme des agents infectieux. L’adhérence s’effectue via la partie libre des anticorps fixant les antigènes. Le macrophage émet des pseudopodes qui vont entourer le complexe immun et former ainsi des vacuoles digestives. A l’intérieur du macrophage des lysosomes vont fusionner avec la vacuole digestive et déversent alors leurs enzymes digestives qui vont éliminer les particules phagocytées.

Le macrophage ayant phagocyté l’antigène le présente aux LT4 spécifiques de cet antigène dans les organes lymphoïdes périphériques. Le LT4 va alors s’activer par coopération cellulaire et se transformer en T4 auxiliaire.

2- Le plasmocyte

Provient de la transformation du lymphocyte B et va fabriquer les anticorps spécifiques d’un antigène.

3- Le lymphocyte

Le lymphocyte reconnait les cellules infectées en détectant l’antigène viral présent à leur surface grâce à des récepteurs membranaires spécifiques. Ensuite il les détruit par émission de perforines qui vont perforer la membrane des cellules infectées provoquant ainsi leur lyse.

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1- Polymorphisme des gènes

Le génotype d’un individu est caractérisé par l’ensemble de ses gènes. Chaque gène est situé à un endroit précis sur le chromosome, le locus. La plupart des gènes sont polymorphes autrement dit ils existent sous plusieurs formes ou allèles. Sur une paire de chromosomes homologues, un gène existe sous forme de deux allèles. Si les deux allèles sont identiques, on parle d’homozygotie alors que si les deux allèles sont différents, il s’agit d’hétérozygotie.

2- Polymorphisme des individus

Le phénotype est l’expression des gènes. Il existe des allèles récessifs qui ne vont s’exprimer qu’à l’état homozygote. En revanche les allèles dominants s’exprimeront aussi bien à l’état homozygote qu’hétérozygote. Il arrive que deux allèles s’expriment conjointement dans le phénotype comme par exemple le groupe sanguin AB, ils sont alors dits co-dominants.

Les individus appartenant à la même espèce possèdent une organisation commune de leur génome mais ce dernier présente une grande variabilité d’un individu à l’autre responsable du polymorphisme interindividuelle.

3- Polymorphisme de l’espèce

Au sein d’une population donnée, les allèles des gènes ont des fréquences différentes. Un gène est dit polymorphe si au moins deux de ses allèles sont présents dans la population avec une fréquence supérieure à 1%. On estime qu’environ un tiers des gènes de l’espèce humaine est polymorphe. La fréquence respective des différents allèles, peut varier d’une population à l’autre au sein d’une même espèce.

Si on prend l’exemple du groupe sanguin, la fréquence des gènes A, B et O vont varier entre les espagnols, les hindous ou les amérindiens infirmant ainsi la notion de race et montrant ainsi la notion de polymorphisme des populations et de l’espèce.

II Mutations et innovation génétique

1- Les mutations

Une mutation est une brusque modification d’un fragment de séquence de nucléotides de l’ADN constitutif d’un gène. La plupart des mutations sont dues à des erreurs lors de la réplication de l’ADN ou à des remaniements chromosomiques. Leur fréquence est donc faible  (de l’ordre de 10^-6). Les mutations sont des phénomènes aléatoires. Cependant leur fréquence peut être augmentée par certains facteurs environnementaux appelés agents mutagènes (substances chimiques, Rayons UV…)

Les mutations peuvent être dites:

– ponctuelles: changement d’un seul nucléotide

– étendues : modification de plusieurs nucléotides

On en distingue plusieurs types :

– la substitution : remplacement d’un ou de quelques nucléotides par d’autres

– la délétion : perte d’un ou plusieurs nucléotides au sein d’une séquence

– l’addition : intercalation d’un ou plusieurs nucléotides au sein d’une séquence

2- Conséquences des mutations

Une modification de la séquence de nucléotides peut modifier la séquence d’acides aminés de la protéine modifiant ainsi le phénotype.

Les conséquences des mutations sur le phénotype sont très variables.

a- Cas des mutations par substitution

Dans certains cas, la modification d’un codon suite à une substitution ne modifie pas l’acide aminé à cause de la redondance du code génétique. On dit que la mutation est silencieuse et le phénotype ne sera pas modifié. Dans d’autres cas, la modification amène aux changements d’un ou plusieurs acides aminés. On parle de mutations faux sens. Elles peuvent aboutir à une perte ou à une diminution de fonctionnalité de la protéine synthétisée. Dans d’autres cas encore, le changement fait intervenir un codon stop ou codon non-sens qui entraîne l’arrêt prématuré de la synthèse polypeptidique.

b- Cas des mutations par délétion ou addition

Lors d’une délétion ou d’une addition, le cadre de lecture étant décalé, les modifications de la séquence d’acides aminés de la protéine sont souvent très importantes. Si la protéine est très raccourcie, ou si la mutation modifie une partie de la protéine importante pour sa fonction, la protéine ainsi  formée  est rarement fonctionnelle.

Une mutation ne sera transmise que si elle affecte les cellules sexuelles ou cellules germinales.
En revanche lorsqu’une mutation s’effectue sur les cellules somatiques (tout sauf les cellules germinales), la mutation n’est pas transmise à la descendance.

III Les familles multigéniques et l’innovation génétique

1- Les familles multigéniques

Les groupes de protéines synthétisées au sein d’une même espèce ont une configuration moléculaire très proche, ce qui montre qu’elles dépendent de gènes avec de grandes similitudes. L’analyse de ces gènes démontre que ces derniers occupent des loci différents sur un même chromosome ou sur des paires non homologues. Mais leurs séquences très similaires permettent de les regrouper en une famille multigénique.

2- L’innovation génétique

Les familles de gènes sont issues d’une ou plusieurs duplications de gène ancestral. Les copies créées peuvent soit rester sur le même chromosome soit migrer vers un autre chromosome: on parle alors de transposition.

Lorsque cette duplication n’est pas suivie de mutations, l’innovation génétique n’ est que quantitative

Mais lorsque les mutations suivent les duplications, l’innovation génétique qui en résulte peut avoir une portée beaucoup plus vaste sur les phénotypes. Si le nombre de mutations est relativement faible, les différents gènes obtenus coderont pour des protéines différents mais avec les mêmes fonction. En revanche si le nombre de mutations est important il en résulte des protéines avec des fonctions également différentes.

Les familles multigéniques proviendraient donc d’un gène ancestral commun qui aurait subi des duplications, transpositions et mutations au cours du temps. C’est l’ensemble de ces trois mécanismes qui aurait entraîné l’innovation génétique.

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I Lignées cellulaires

La culture de cellules primaires

Il s’agit de cellules issues du tissu d’un animal qui peuvent être dérivées de tissus normaux, d’embryons, de tumeurs. Ils peuvent provenir :

– d’un fragment de tissu (mélange de plusieurs types cellulaires)

– de cellules individualisées (désagrégation d’un fragment de tissu)

Méthodes de désagrégation du tissu :

– forces mécaniques : homogénéisation, sonication légère

– méthode enzymatique : trypsine, collagénase

– agents chélateurs : EDTA, EGTA

Enfin il faudra procéder au comptage des cellules et ensemencement (105-106 cellules / cm3).

La culture de cellules finies

Ce sont des cellules qui vont se diviser pendant un nombre donné de passage puis entrer en senescence (=ralentissement progressif de la prolifération cellulaire, puis la mort) et se diviser de moins en moins.

A noter que les lignées cellulaire finies provenant d’embryons vont se diviser plus que celles originaires d’un tissu adulte.

Exemple : W138 (fibroblastes humains) et MRC5 (tissu pulmonaire d’un fœtus)

La culture de cellules continues

Il s’agit ici de lignées cellulaires qui ont été transformées et immortalisées.

• La transformation

consiste en l’ introduction de changements dans une cellule conduisant à un phénotype de croissance et à l’immortalisation.

• Agents transformant :

– carcinogènes chimiques

– radiations ionisantes

– infection virale

  II Origine des lignées cellulaires

Organes à partir desquels les cellules peuvent être cultivées :

– système tégumentaire et muscle (mélanocytes, kératinocytes, muscles, cellules graisseuses)

–  tractus gastro-intestinal : épithéliums salivaire et intestinal, pancréas, foie

– système respiratoire : poumon, alvéole, bronche

– système reproducteur : utérus, cellules de Sertoli

– système endocrine : thyroïde, pancréas

– système ostéo-articulaire : chondrocytes, ostéoblastes

– système nerveux  : cellules gliales, ganglions

– système cardiovasculaire : myocytes, cellules endothéliales

– système hématopoïétique : progéniteurs, macrophages, lymphocytes

Ces lignées cellulaires proviennent principalement de l’homme et de la souris.

Il existe actuellement deux collections majeures de lignées cellulaires :

– ATCC : American Type Culture Collection

– ECACC : European Collection of Animal Cell Cultures

III Les types de lignées cellulaires

Cellules non adhérentes

Le sérum est décomplémenté par chauffage à 56°C pendant 30 min. Ce qui permet d’inactiver les protéines du complément qui pourraient nuire aux cellules. En effet le sérum peut-être une source majeure de contamination (virus, bactéries).

Les antibiotiques

Afin de prévenir d’éventuelles contaminations.

Les suppléments

Certaines lignées cellulaires vont nécessiter des additifs particuliers :

– acides aminés essentiels

– facteurs de croissance

– molécules chimiques : β-mercaptoéthanol (protège certaines lignées cellulaire  contre l’oxydation)

La croissance cellulaire

Lors d’une culture cellulaire, le taux de croissance des cellules n’est pas constant. Il s’effectue plutôt selon une courbe dans laquelle on peut distinguer 4 phases.

La phase d’adaptation. Il n’y a pratiquement pas de croissance cellulaire puisque les cellules s’adaptent à leur nouvel environnement et s’y installent.

La phase de croissance rapide. Les cellules se divisent rapidement, car elles consomment la majeure partie des nutriments contenus dans le milieu de culture.

La phase stationnaire. Le nombre de cellules est constant puisqu’il y a autant de cellules qui meurent que de nouvelles qui sont produites. Cela s’explique par un épuisement des nutriments, une accumulation de déchets et un manque d’espace disponible.

La phase de déclin. Les nutriments et l’espace se font trop rares pour maintenir un nombre de cellules maximum. Ce nombre décroît.

Le maximum de cellules possible est atteint à la fin de la phase de croissance rapide. Lorsque la phase stationnaire est atteinte, il peut être utile d’arrêter la culture et de la conserver à des fins d’analyse ou d’utilisation ultérieure. On peut congeler les cultures afin de les conserver. C’est aussi lors de cette phase que l’on doit repiquer les cellules (les transférer) dans un nouveau milieu de culture puisque les nutriments du milieu initial sont en train de s’épuiser, ce qui déclenchera la phase de déclin.

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Procédés de Bio-ingénierie

Hybridation Des outils génétiques Analyse de l’ADN (électrophorèse et PCR) Technologie de l’ADN recombinant Thérapie génique Analyse du génome (empreintes digitales et puces à ADN)

OUTILS GENETIQUES

Enzymes pour la découpe, le collage, l’inversion des acides nucléiques. Permet à l’analyse de l’ADN, en utilisant les enzymes comme des outils: 1) ADN hélicase 2) Ligase : joints scellent deux morceaux d’ADN ensemble comme une colle moléculaire. 3) Polymerase : Lit un brin d’ADN et synthétise un brin complémentaire. Les ADN polymérases lient et répliquent des brins d’ADN. Les ARN polymérases peuvent à partir de brins d’ADN synthétiser des brins d’ARN. 4) La transcriptase inverse (fait des copies d’ADN à partir d’ARN) : crée une copie d’ADN à partir d’un brin d’ARN. C’est une propriété très inhabituelle et c’est la raison pour laquelle il est appelé transcriptase inverse. (puisque la transcription aboutit normalement à la formation d’ARN à partir d’ADN). Cette enzyme ne se trouve pas dans toutes les cellules; il se trouve que dans un couple de virus. Seule une petite une famille de virus VIH possède cette enzyme. 5) Les endonucléases de restriction reconnaissent des séquences d’ADN spécifiques et les découpent 6) Hélicase: déroule l’ADN double brin et vous pouvez le faire dans le tube à essai et l’autre possibilité est la chaleur qui dénature également l’ADN double brin;   Imaginez une séquence d’ADN, et nous découpons cette dernière  avec trois endonucléases de restriction différentes. Nous aurons ainsi des fragments.

Si nous avons deux enzymes avec 2 sites de coupure, nous obtiendrons trois fragments. Après cela nous pouvons les mettre sur un gel d’électrophorèse, procédé qui permet de séparer des fragments d’ADN en fonction de leur taille: Comment ça marche? Nous prenons un gel et nous mettons nos échantillons en haut de gel, puis nous l’exposons à une charge (normalement ADN a une charge négative, car il a de nombreux groupes de phosphate). Ainsi l’ADN commence à se déplacer vers le charge positive. La rapidité du déplacement dépend de la taille des fragments. Les grands fragments se déplacent plus lentement que les petits fragments; de sorte qu’il sépare les fragments d’ADN en fonction de leur taille. Nous allons voir un exemple avec une séquence d’ADN. Vous prenez un morceau d’ADN et nous souhaitons vérifier la séquence pour voir si elle correspond au gène vous pensez que c’est… Où est la séquence d’ADN que vous attendez? 5 ‘AAGCTAAGGATTCGTAT 3′ 3 ‘TTCGATTCCTAAGCATA 5′ Et vous pensez savoir où est cet ADN mais vous voulez vous assurer que c’est le gène correspondant. Ce que vous pouvez faire est de vous couper cet ADN par des endonucléases de restriction et vous savez que l’enzyme 1 coupe après la séquence AGCT. Et l’ enzyme 2 coupe après la séquence AGGA. Si vous ajoutez ces deux endonucléases de restriction différentes pour cet ADN vous pouvez prévoir combien de fragments vous allez trouver: 5 ‘AAGCTAAGGATTCGTAT 3′ 3 ‘TTCGATTCCTAAGCATA 5′ Nous devons trouver trois fragments après la procédure (après digestion complète), mais vous pouvez également connaître la taille de chacun de ces fragments. Vous savez que ce premier fragment doit être seulement trois nucléotides de long et le second fragment devrait être cinq nucléotides de long et le troisième fragment doit être neuf nucléotides de long. Maintenant, comment nous pouvons voir la taille des fragments? Vous allez l’exécuter sur gel d’électrophorèse.  Maintenant, vous mettez votre échantillon sur la surface du gel (après digestion), vous devez ajouter un mélange standard de chaque côte. Ensuite, vous exposez 1+1 à une charge. En combien de temps se déplace chaque fragment d’ADN dépend de sa taille, des fragments plus petits se déplacent plus vite, les fragments plus gros se déplacent plus lentement. Ainsi vous obtenez le mélange standard où vous avez un nucléotide, 2 fragments de nucléotides. Dans notre expérience, nous nous attendons à 3 fragments en position 3-5-9.

Donc, des endonucléases de restriction peuvent être utilisés comme un moyen de vérification d’une séquence. Si vous avez un morceau d’ADN et vous n’êtes pas à 100 % sûr que vous voulez juste faire une double vérification avant de faire une autre manipulation.

Réaction en chaîne par polymérase (PCR)

PCR amplifie l’ADN: il est comme une machine de copie de l’ADN PCR polymérise des copies d’ADN par une réaction en chaîne, ce qui est important parce que souvent vous pouvez avoir un échantillon d’ADN, mais vous n’en avez pas assez pour pouvoir l’analyser.

Juste parler, nous allons faire une électrophorèse sur gel ……… Nous aurons besoin d’une quantité considérable d’ADN pour exécuter ces différents tests. Très souvent, le problème est simplement que nous n’avons pas suffisamment d’ADN. Ainsi, la réaction en chaîne de la polymérase qui est une machine de copie peut nous aider à produire assez d’ADN dont nous avons besoin. Nous pouvons obtenir des millions de fragments en 4-6 heures Comment ça marche? Ici, nous avons un tube de PCR. Maintenant, si nous voulons une copie d’un morceau d’ADN Voyons voir ce genre de choses, nous devons lancer le tube de réaction. Les composants nécessaires sont : -une séquence d’ADN – un ADN-polymérase – des amorces – mélange nucléotidique Et puis nous ajoutons notre tube de PCR à une machine PCR

Et la machine de PCR modifie la température afin de pouvoir copier l’ADN. Ici, nous avons notre modèle, une machine PCR qui monte jusqu’à 94 ° (ce qui est assez élevé pour dénaturer l’ADN et les deux brins se séparent). Puis l’appareil passe à 55 ° (température à laquelle les amorces peuvent se fixer), la machine passe ensuite à 72 ° (à cette température l’ ADN polymérase attache les amorces et commence à les copier pour obtenir en bout du compte deux exemplaires. Puis la machine remonte à 94 ° (…. “” “” “” 55 ° (….. “” “” “” 72 ° (…. Et ……..le processus se répète encore et encore de façon à obtenir une quantité d’ADN supérieure grâce à……. température.

Avant l’apparition du de PCR on passait par les incubateurs (un à 94 °, un à 55 ° et un 72 °).

Récapitulatif des méthodes d’analyse de l’ADN

1) Les enzymes peuvent être utilisés comme des outils moléculaires 2) Le gel d’électrophorèse: sépare les fragments d’ADN selon leur taille 3) la réaction de polymérisation en chaîne: – Amplificateurs ADN (faire des copies de l’ADN) – Une bonne conception d’amorces permet l’isolement et l’amplification d’un gène particulier sur l’ensemble du génome En utilisant le PCR pour isoler et amplifier un gène du génome –  Les amorces sont conçues pour se lier un lieu précis en fonction de règles de complémentarité des bases d’ADN – Comme l’ADN polymérase III ne peut démarrer la réplication de l’ADN où l’amorce est fixée le site de fixation de l’amorce contrôle que l’ADN est répliqué par le PCR. – En concevant des amorces complémentaires sur chaque côté du gène d’intérêt, vous pouvez spécifier la PCR pour isoler et amplifier juste ce gène et rien d’autre 1) Isoler et amplifier une séquence spécifique à partir d’un morceau d’ADN 2) ici est un morceau d’ADN du génome humain

Le clonage

I Définition

Clonage : Transfert transitoire ou stable d’un ADN étranger dans une cellule procaryote ou eucaryote

Utilisation de vecteurs : plasmides, bactériophages, virus, cosmides …

II Applications

1)Biotechnologies

Pour la production de protéines eucaryotes par des micro-organismes recombinants tels que les hormones (insuline), vaccins ou anticorps.

2)Thérapie génique

Transfert d’un gène chez l’Homme pour prévenir l’apparition ou ralentir une maladie

3) Médecine légale

Empreinte digitale empreinte génomique

Clonage plasmidique

1) Les plasmides

Ce sont des petites molécules d’ADN bicaténaires, circulaires, extra chromosomiques qui ont la capacité de se répliquer de façon autonome.

Elles sont présentes naturellement dans le cytoplasme de nombreuses souches bactériennes. Ce qui génère d’ailleurs la résistance bactérienne aux antibiotiques.

Ces plasmides sont utilisés en génie génétique pour :

– le clonage et l’amplification d’une séquence d’ADN

– l’introduction d’un gène dans des bactéries (transformation), des cellules animales (transfection) ou des organismes entiers (animaux transgéniques).

– la production de protéines à l’échelle industrielle

Plasmide pBR322

pBR322 contient 4361 paires de bases et contient le réplicon du plasmide pMB1, le gène ampR, codant pour la protéine de résistance à l’ampicilline (source plasmide RSF2124) et le gène tetR, codant pour la protéine de résistance à la tetracycline. Le plasmide possède des sites de restriction uniques pour plus de quarante enzymes de restriction. 11 de ces 40 sites se trouvent dans le gène tetR. Il existe deux sites pour les enzymes de restriction HindIII et ClaI au sein du promoteur du gène tetR. Il ya six sites de restriction clés à l’intérieur du gène ampR. L’origine de réplication est un site ori.

Plasmide pSecTag

L’insert

– T7 : fixe l’ARN polymérase

– ATG : codon initiateur (transcription)

– Igkappa leader : permet la sécrétion

– myc : détection de la protéine

– (His)6 : purification et détection

– TAA : terminaison de la transcription

Le plasmide

– PCMV : expression de la protéine

– BGH : facilite le séquençage

– f1 ori : réplication de l’ADN (bactéries)

– PSV40 : expression de la résistance zéocine

– Hygromycine : sélection (cellules mammifères)

– SV40 pA : terminaison de la transcription

– pUC : favorise réplication (bactéries)

– Ampicilline : sélection (bactéries)

Les enzymes de restrictions

Pour 1 digestion enzymatique : – H20 qsp 20 μl

– Tampon 10X (spécifique de chaque enzyme) : 2 μl

– BSA 0,2 μl

– ADN : 1 μl

– Enzyme : 1,5 μl    —> 1h  à 37°C

Migration sur gel d’agarose 0,5%

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Ce chapitre est consacré aux notions élémentaires et aux concepts généraux de la théorie des ensembles ,

dont on a besoin pour une introduction moderne à la théorie du calcul de probabilité

1)      Définitions On  appelle  ensemble  toute  liste  ou  toute  collection  d’objets  bien définis. On appelle

éléments ou nombres de l’ensemble les objets appartenant à l’ensemble.On écrit PεA si p est un élément

de l’ensemble A. Si chaque élément de A appartient aussi à un ensemble B c’est-à-dire si p ε A implique p ε

B,on dit alors que A est un sous-ensemble de B , ou que A est contenu dans B , ce que l’on écrit

Deux ensembles sont identiques si chacun  d’eux  est  contenu  dans  l’autre ; on  écrit

alors  A =  B ssi  .On représente les négations de

. On particularise  un   ensemble   donné  soit  en  dénombrant 

 ses  éléments  soit  en  établissant  des propriétés caractérisant ses éléments ex : A = { 1 ; 3 ; 5 ; 7 ; 9 }

signifie que A est l’ensemble constitué des nombres 1 ; 3 ; 5 ; 7 et 9

signifie que B est l’ensemble des nombres premiers inférieurs à 15

nous pouvons  observer  que :  

Sauf indication contraire, on suppose que tous les ensembles considérés sont des sous-ensembles d’un

certain ensemble que l’on appelle l’ensemble universel et que l’on note U.On utilise également la notation

  pour  désigner l’ensemble  vide  ou  nul  c’est-à-dire  l’ensemble  qui  ne   contient  aucun  élément.

On considère que cet ensemble est un sous-ensemble de tout autre ensemble ex :  U  peut  représenter  V

l’ensemble   des  nombres   naturels , W  l’ensemble   des  nombres   entiers, Y l’ensemble  des  réels  Dans

l’étude de  la population humaine, l’ensemble universel est constitué de tous les habitants de la Terre.

Opérations sur les ensembles Soient A et B des ensembles arbitraires La réunion de A et B que l’on désigne par

AUB  est l’ensemble des éléments qui appartiennent à A ou à B L’intersection de A et de B que l’on désigne par A ∩ B est l’ensemble des éléments qui appartiennent à la fois à A et à B La différence entre A et B que l’on note A \ B est l’ensemble des éléments qui appartiennent à A mais pas à B

Le complémentaire de A que l’on désigne par

est l’ensemble des éléments qui n’appartiennent pas à A  ex : soient A = { 1 ; 2 ; 3 ; 4 } , B = { 3 ; 4 ; 5 ; 6 } , U = { 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; . . . }Lois d’algèbre des ensembles 1)

Loi idempotente                                

2)      Loi associative                                     

3)      Loi commutative                                       

4)      Loi de distributivité   5)      Loi d’identité  6)      Loi de complémentarité  7)      Loi de De Morgan  Exercices

U = { 1 ; 2 ; 3 ; . . . ; 8 ; 9 }          A = { 1 ; 2 ; 3 ; 4 }           B = { 2 ; 4 ; 6 ; 8 }           C = { 3 ; 4 ; 5 ; 6 }

Détermine :

Dénombrement par comptage direct  

1) Arrangements avec répétition   Exemple De combien de manières peut-on tirer successivement, avec

remise, trois boules dans une urne qui contient quatre boules numérotées de 1 à 4 ? On représente les

possibilités de tirage sur un diagramme en arbre

1^ère boule                        2^ème boule                                            3^ème boule                            résultats

Il y a donc 4x4x4 =64 manières de trier, avec remise, trois  boules numérotées de 1 à 4   On  appelle  ce

procédé un arrangement avec répétition .

Définition

Tout  arrangement  avec répétition de n objets pris p à p est une liste de p objets, distincts ou non, choisis parmi les n objets donnés Deux listes peuvent différer soit par la nature  des éléments soit par l’ordre des éléments Le nombre d’arrangements avec répétition de n objets pris p à p est noté  

Exemples 1)      Combien peut-on écrire de nombres de trois chiffres distincts de 0 ?

Soit C = { 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; 8 ; 9 } Il y a autant de nombres de trois chiffres significatifs qu’il y a d’arrangements avec répétition des neuf chiffres pris trois à trois

2)      De combien de manières peut-on tirer, successivement et avec remise, trois boules dans une urne en contenant cinq ?  

Remarque : principe fondamental de l’analyse combinatoire Si une procédure quelconque peut être représentée de n₁ façons différentes, si après cette procédure une deuxième procédure peut être représentée de n₂ façons différentes, et si après cette procédure une troisième procédure peut être représentée de n₃ façons différentes, et ainsi de suite, alors le nombre de façons différentes permettant d’exécuter les procédures dans l’ordre indiqué est égal au produit n₁ . n₂ . n₃ . …

Exemple Supposons qu’une plaque d’immatriculation contienne deux lettres distinctes suivies de trois

chiffres dont le premier est différent de zéro. Combien de plaques différentes peut-on imprimer ?

Il y a : 26 . 25 . 9 . 10 . 10 = 585 000 plaques différentes possibles à imprimer    

2) Arrangements sans répétition  

Exemple : de combien de manières peut-on tirer successivement, sans remise, trois boules dans une urne

qui  contient  quatre  boules   numérotées  de 1  à 4 ?

On  représente  les  possibilités  de  tirage  sur  un diagramme en arbre  Il y a: 4 . 3 . 2 = 24 possibilités de

tirer sans remise trois boules numérotées

Définition

Tout arrangement sans répétition de n objets pris p à p est une liste de p objets distincts choisis

parmi les n objets distincts donnés Le nombre d’arrangements sans répétition de n objets pris p

à p est noté A

Formule         A  =  n . ( n – 1 ) . ( n – 2 )  . … . ( n – p + 2 ) . ( n – p + 1 )  

Exemple De combien de manières différentes 14 élèves peuvent-ils former une équipe de football si l’on

indique la place que doit occuper chaque joueur ?

Le nombre d’équipes possibles est : A  = 14 . 13 . 12 . 11 . 10 . 9 . 8 . 7 . 6 . 5 . 4 = 14 529 715 200

3) Permutations sans répétition  

Exemple De combien de manières peut-on classer 3 personnes par ordre de préférence ?

Supposons que les initiales des noms des personnes soient A, B et C

Place occupée par A     Place occupée par B       Place occupée par C

3 2 1 Il y a 3 . 2 . 1 = 6 possibilités de classer les 3 personnes

Définition Toute permutation sans répétition de n objets est une liste de n objets distincts.

C’est donc une permutation d’un ensemble de n éléments. Le nombre de permutations sans

répétition de n objets est noté P_n   Formule             P_n  =  n . ( n – 1 ) . ( n – 2 ) . … . 2 . 1     7

Remarques

• P_n = A             

• Nouvelles notations

Le produit des n premiers naturels non nuls se note n ! et se lit factorielle de n   n !  =  n . ( n – 1 ) . ( n – 2 ) . … . 3 . 2 . 1     Par convention : 0 ! = 1 Nouvelle présentation des formules antérieures A  = P_n = n !   Exemples 1)      De combien de manières différentes 11 élèves peuvent-ils former une équipe de football si l’on indique la place que doit occuper chaque élève ? P₁₁ = 11 . 10 . 9 . 8 . 7 . 6 . 5 . 4 . 3 . 2 . 1 = 39 916 800 manières différentes   2)      Combien peut-on former d’anagrammes du mot « chien » ? P₅ = 5 . 4 . 3 . 2 . 1 = 120   3)      Combien peut-on former de nombres de 5 chiffres à l’aide des chiffres 0 ; 1 ; 2 ; 3 et 4 ? P₅ = 5 . 4 . 3 . 2 . 1 = 120   4) Permutations avec répétitions   Le nombre de permutations de n objets dont n₁ sont semblables, n₂ sont semblables, … , n_i sont semblables est   Exemples 1)      Supposons que l’on veuille former tous les mots de 5 lettres possibles à partir du mot « LILLE » Il y a 5 ! = 120 permutations possibles des objets L₁, I, L₂, L₃, E quand les 3 « L » sont distincts Puisqu’il y a 3 ! = 6 façons différentes de placer les 3 « L », il ya donc = = 20 mots différents de 5 lettres qui peuvent être formés à partir des lettres du mot « LILLE »   2)      Combien de signaux différents, chaque signal étant constitué de 8 pavillons alignés verticalement, peut-on former à partir d’un ensemble de 4 pavillons rouges indiscernables, 3 pavillons blancs indiscernables et un pavillon bleu ? Il y a : = = 280 signaux différents possibles       III . Dénombrement par comptage indirect   1) Combinaison sans répétition   Exemple De combien de manières différentes peut-on élire 3 personnes parmi 5 ? Résoudre le problème revient à compter le nombre de sous-ensembles de 3 éléments inclus dans un ensemble A de 5 éléments Il existe A   = 60 injections appliquant { 1 ; 2 ; 3 } dans A Une même partie de 3 éléments de A est déterminée par plus d’une injection appliquant { 1 ; 2 ; 3 } dans A Il existe 6 injections appliquant { 1 ; 2 ; 3 } sur une même partie de A Il suffit en effet de permuter les trois images entre elles Dès lors, le nombre de sous-ensembles de 3 éléments inclus dans un ensemble comprenant 5 éléments est égal à = = 10   Définition Toute combinaison sans répétition de n objets pris p à p est une liste de p objets distincts choisis parmi les n objets donnés, deux listes différant uniquement par la nature de leurs éléments   Le nombre de combinaisons sans répétition de n éléments pris p à p est noté C   Formule    C  =    =        Exemples 1)      Combien peut-on former de sous-ensembles de 7 éléments dans un ensemble de 15 éléments , C  = = = =  = 15 . 13 . 11 . 3 = 6 435   2)      Il faut élire 3 délégués dans une classe de 28 élèves. De combien de manières peut-on réaliser cette élection ? C   = = = 28 . 9 . 13 = 3 276   3)      Sept chevaux sont départ d’une course. Combien y a-t-il de tiercés dans le désordre possibles ? C   = = = 7 . 5 = 35                     2) Propriétés des C  

• “ n Î V : C             = 1          C             = n          C             = n          C             = 1

En effet : C  = = 1 C  = = n C  = = = n C  = = = 1

• “ n, p Î V : p £ n          C             = C           

En effet : C  = C  = =

• “ n, p Î V : p £ n           C             = C             + C           

En effet C  + C  = + = = = = = C   3) Triangle de Pascal   Considérons les suites de nombres entiers C  disposés dans le tableau suivant :

Dans ce tableau, on considère les nombres situés dans les cases disposées de la manière suivante :

En posant x = C   , il vient y = C  et z = C En vertu de la propriété 3, on a x + y = z et compte tenu de la propriété 1, on obtient le tableau suivant, appelé triangle de Pascal

  4) Binôme de Newton   “ n Î V₀, “ a, x Î Y : ( a + x )^m =  C   a^m  +  C  a^m-1 x + … + C  x^m   Exemples   1)      ( a + b )³ = C  a³ + C  a² b + C  a b² + C  b³                             = a³ + 3 a² b + 3 a b² + b³   2)      ( x – 3 )³ = C  x⁴ + C  x³ . ( – 3 ) + C  x² . ( – 3 ) . 2 + C  x . ( – 3 ) . 3 + C  . ( – 3 ) . 4                             = x⁴ + 4 x³ . ( – 3 ) + 6 x² . 9 + 4 x . ( – 27 ) + 1 . 81                             = x⁴ – 12 x³ + 54 x² – 108 x + 81   3)   ( 2 x – 3 y )⁵ = C  ( 2 x )⁵ + C  ( 2 x )⁴ . ( – 3 y ) + C  ( 2 x )³ . ( – 3 y )² + C  ( 2 x )² . ( – 3 y )³ + C  ( 2 x ) ( – 3 y )⁴ + C  ( – 3 y )⁵ = 32 x⁵ + 5 . 16 x⁴ . ( – 3 y ) + 10 . 8 x³ . 9 y² + 10 . 4 x² . ( – 27 y³ ) + 5 . 2x . 81 y⁴ + 1 ( – 243 y⁵ ) = 32 x⁵ – 240 x⁴ y + 720 x³ y² – 1 080 x² y³ + 810 x y⁴ – 243 y⁵                     Exercices   1)      Effectue : a)      ( x² + y ) = b)      ( 2 x – 3 ) = 2)      Détermine le triangle de Pascal pour n = 10 3)      Dans le développement du binôme de Newton indiqué, détermine, sans effectuer , le terme dont l’exposant de x est  : a)      dans ( x + a ) b)      12 dans ( 2 a – 3 x³ ) c)      -2 dans ( x – ) d)     0 dans ( 2 x² + ) 4)      Développe ( 1 + ) .  Calcule ensuite    lim   ( 1 + ) mà +¥ 5)      Démontre que : a)       = C  + 2 C  + C b)       = C  + C c)      C  + C  + C  + … + C  = 2 d)     C  – C  + C  – … + ( – 1 ) C  = 0

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En ce qui concerne la division cellulaire, il ya une machine qui est un état transitoire et ce processus est renouvelé à chaque cycle cellulaire.
Les éléments clés de ce processus sont:
1) le fuseau mitotique : Il est constitué de microtubules ou cytosquelette, de centrioles, de kinétochores et anneau contractile.
2) et ce processus est commandé par un système de commande qui intègre les signaux de croissance et de division.
Ces signaux sont les suivants:
a) les kinases de la division cellulaire (CDK)
b) Chaque kinase a une activité qui est contrôlée par une cycline (sous-unité régulatrice de CDK) ;

c) et  l’activité de ces deux systèmes est commandé par un troisième système régulé par un mécanisme de destruction.

La division cellulaire est régulée:

Les cellules se divisent en 8 minutes mais les cellules typiques (par exemple les cellules du foie) se divise 1X/an, et les cellules de l’intestin se divisent 1X/jour.

1) La division cellulaire nécessite la répartition des organites :

A) Les organites tels que les ribosomes peroxysomes (1/2 va dans un côté et 1/2 de l’autre côté)

B) Les mitochondries ou chloroplastes: ce sont des anciennes bactéries capturées qui conservent leur propre mécanisme de division.

C) L’appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique deviennent de petites vésicules pendant le mitose, puis après la division cellulaire, ils se rassemblent ensemble pour reformer l’appareil de Golgi et le réticulum endoplasmique

D) Le centrosome = centriole est encore mal comprise chez les cellules eucaryotes.

Le centriole possède son propre modèle de réplication et nous avons besoin d’un centriole pour former un nouveau centriole (centriole joue un rôle crucial dans la formation du fuseau mitotique afin de permettre à l’ADN de réaliser sa réplication.

G1 et G0: G1 est la phase dans laquelle la cellule se demande “suis-je assez grand pour me diviser” y a-t-il assez de nourriture?

Il ya aussi  + ou – des facteurs d’autres cellules ou de l’environnements. Et si la décision finale n’est pas de diviser la cellule, celle-ci reste à la phase G0 où il n’ya pas de division.

Phase S: la phase dans laquelle la réplication de l’ADN nucléaire et la réplication de l’ADN mitochondrial se produit.G2: une autre phase de prise de décision est G2: permet à la cellule de vérifier si chaque génome a été reproduit ou non. Si ce n’est pas le cas, il y a  un mécanisme qui demande à la cellule d’arrêter en G2 jusqu’à ce que le dernier nucléotide est reproduit. La phase G2 sera prolongé jusqu’à ce que la cellule soit prête a aller à en phase M. Un autre point de contrôle consiste à voir si chaque kinetochore a établi la fixation du fuseau bipolaire.

M: et enfin la mitose se produit:

Les chromosomes sont constitués d’une molécule d’ADN et les protéines associées, et il ne faut pas sous-estimer l’importance des protéines et de la masse des protéines associées à l’ADN (la masse est supérieure à la masse de l’ADN).Il ya des sites spécifiques sur les chromosomes et le plus important est le centromère. Le centromère est le point où le chromosome s’attache au fuseau mitotique pour permettre la ségrégation des chromosomes qui est c’est sa seule fonction; mais à ce point, il est y a une structure protéique très complète (cinquante protéines différentes appelées cordon de connexion. Ainsi, le cordon de connexion est la structure qui rassemble à ce stade les protéines de ségrégation).

Nous savons qu’il ya des origines de réplication de l’ADN multiples dans les cellules eucaryotes. A l’extrémité des chromosomes, il existe des structures spécialisées appelées télomères..

L’enzyme télomérase intervient dans la réplication des télomères.Les chromosomes ont beaucoup de gènes regroupées sur chaque chromosome.

Comment 22 250 gènes donnent des protéines ainsi que des ARN?

Ploïdie = nombre de jeux de chromosomes

= Organismes haploïdes qui ont un jeu de chromosomes

= Organismes diploïdes qui ont deux jeux de chromosomes

Triploïdes = organisme qui ont trois jeux de chromosomes

Tétraploïde = organisme qui ont quatre jeux de chromosomes

Hexaploïde = organisme qui ont six jeux de chromosomes

Octaploïdes = organisme qui ont huit jeux de chromosomes

La lettre N est utilisée pour indiquer le nombre de chromosomes par cellule haploïde.

Donc, pour les pommes de terre  N = 23 et pour nous qui sommes diploïdse, donc nous avons deux paires de 23 chromosomes.

La valeur de C fait référence au contact de l’ADN (quantité d’ADN dans la cellule)

N est une des fonctions discontinues mais la valeur C est la fonction continue.

Ainsi, la quantité d’ADN dans un nucléons diploïdes est C2 à G1 et la quantité de C dans G2 = 4C

Mais en G2 le nombre de chromosomes ne doit pas changer.

Comment mesurer la teneur en ADN?

Nous pouvons le faire grâce à un appareil incroyable

FACS = Cytométrie en flux

Le colorant fluorescent qui fixe l’ADN mais il colore l’ADN proportionnellement à la quantité.

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Techniques de fracture/ congélation:

– Cette technique étudie  le modèle de la mosaïque du fluide de la membrane plasmatique.

– C’est une technique de préparation spécialisée qui divise la membrane tout le long de la bicouche de phospholipides.

La fluidité des membranes :

– Les phospholipides de la membrane plasmatique peuvent se déplacer dans la bicouche

– La plupart des lipides et des protéines dérivent latéralement.

– les molécules basculent rarement transversalement à travers la membrane

Les protéines membranaires et leurs fonctions:

– Les protéines périphériques sont liées à la surface de la membrane

– Les protéines intégrales pénètrent dans le noyau hydrophobe

– Les protéines intégrales qui traversent la membrane sont appelés protéines  transmembranaires.

– Les régions hydrophobes des protéines intégrales constituent un ou plusieurs tronçons

Six fonctions majeures des protéines membranaires:

– transport

– activité enzymatique

– transduction de signal

– reconnaissance cellule-cellule

– joints intercellulaires

– attachement au cytosquelette et à la matrice extracellulaire

Synthèse et partialité des membranes :

– Les membranes ont une face intérieure distincte de la face externe

– La distribution asymétrique des protéines, lipides et glucides associés dans la membrane plasmatique est déterminée lorsque la membrane est construite par le RE et l’appareil de Golgi.

La structure de la membrane et sa perméabilité sélective :

– Une cellule doit échanger des molécules avec son environnement, processus commandé par la membrane plasmique

– Les membranes plasmatiques sont sélectivement perméables et régulent le trafic moléculaire de la cellule

– Des molécules hydrophobes (non polaires tels que des hydrocarbures), peuvent se dissoudre dans la bicouche lipidique et passent rapidement à travers la membrane

– Les molécules polaires tels que les sucres ne traversent pas facilement la membrane

Transport passif: diffusion à travers une membrane sans investissement d’énergie

1) La diffusion est le mouvement des molécules dans l’espace disponible de manière uniforme.

2) Bien que chaque molécule se déplace au hasard, la diffusion d’une population de molécules présente ainsi un mouvement dans un sens

3) A l’équilibre dynamique, de nombreuses molécules traversent d’une manière transversale dans l’autre sens.

Effets de l’osmose sur l’équilibre de l’eau

1) L’osmose est la diffusion de l’eau à travers une membrane sélectivement perméable.

2) L’eau diffuse à travers une membrane de la région de faible concentration en solutés vers la région plus concentrée en solutés.

Le bilan hydrique des cellules sans mur. La tonicité est la capacité d’une solution pour provoquer une cellule à gagner ou à perdre de l’eau.

La solution isotonique: la concentration du soluté est la même entre à l’intérieur et l’extérieur de la cellule, il n’y a donc aucun mouvement net de l’eau à travers la membrane plasmique

Solution hypertonique: la concentration en solutés est plus élevée à l’extérieur de la cellule qu’à l’intérieur; la cellule perd de l’eau

Solution hypotonique: la concentration en solutés est inférieur à celle à l’intérieur de la cellule; gain en eau pour la cellule.

Protéines de transport:

Les protéines de transport permettent le passage de substances hydrophiles à travers la membrane.

Des protéines appelées canaux ont une chaîne hydrophile que certaines molécules ou des ions peuvent utiliser comme un tunnel.

Protéines de canaux appelés Aquaporines facilitent le passage de l’eau.

Les protéines de transport de la diffusion facilitée accélérent le mouvement passif de molécules à travers la membrane plasmique.

Protéines de la Manche fournissent des corridors qui permettent une molécule ou ion spécifique de traverser la membrane

Les aquaporines facilitent la diffusion de l’eau, ce sont des canaux ioniques qui s’ouvrent ou se ferment en réponse à un stimulus (canaux fermée).

Le transport actif utilise l’énergie pour déplacer les solutés contre leurs gradients: Faciliter la diffusion est toujours passive cependant ces protéines de transport peuvent déplacer les solutés contre leur gradient de concentration. Le transport actif déplace les substances contre leur gradient de concentration. Ce transport nécessite de l’énergie généralement sous la forme d’ATP et est effectué par des protéines spécifiques incorporés dans les membranes.

Les pompes à ions maintiennent le potentiel de membrane: le potentiel de membrane est la différence de tension à travers une membrane. La différence de tension est créée par les différences dans les distributions des ions positifs et négatifs.

Deux forces combinées collectivement appelées le gradient électrochimique, entraînent la diffusion des ions à travers une membrane: une force chimique (fonction du gradient de l’ion) et une force électrique (l’effet du potentiel de membrane sur le mouvement de l’ion). Une pompe électrogénique est une protéine de transport qui produit une tension à travers une pompe sodium/potassium qui est la principale pompe électro génique chez les eucaryotes. La principale pompe électrogénique des plantes, des champignons et des bactéries est une pompe à protons.

Le transport en vrac par exocytose et endocytose

Les petites molécules et l’eau entrent ou sortent de la cellule à travers la bicouche lipidique ou par des protéines de transport.

Les grosses molécules, telles que les polysaccharides et les protéines, traversent la membrane en vrac par l’intermédiaire de vésicules.

Le transport en vrac nécessite de l’énergie. Dans l’exocytose, des vésicules de transport migrent vers la membrane, fusionnent avec elle et libèrent leur contenu.

Dans l’endocytose la cellule prend des macromolécules pour former des vésicules de la membrane plasmique.

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