Nombre de molécules dans une cellule

[aztekorus]

Bonjour,
mes élèves de collège font trop souvent l'amalgame entre cellules et molécules. Je suis professeur de physique chimie et n'ai aucune formation en biologie.
Je me tourne ainsi vers vous pour m'éclairer.

J'aimerais savoir de combien de molécules est composée une cellule et de quels types de molécules il s'agit. Je suppose que ça dépend fortement du type de cellules donc voila les cas qui m’intéressent:
- cellule de peau humaine
- cellule d'oignon (car je crois qu'ils l'observe au microscope)
- cellule (animale ou non) qui contient le moins de molécules
- cellule (animale ou non) qui contient le plus de molécules

Questions supplémentaires un peu HS: quid d'un virus / d'une bactérie? Sont-ce des êtres vivants?

Merci d'avance!
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[vpharmaco]

Bon courage avec tes élèves, notamment si tu veux leur donner des réponses aussi détaillées par types de cellules

Le mieux que l'on puisse te donner, c'est de très gros ordres de grandeurs:
Dans le lien ci-dessous, tu trouveras quelques chiffres glanés sur internet qui permettent de définir la taille d'une cellule humaine, d'une levure ou d'une bactérie. On y trouve aussi le pourcentage massique des différentes familles de molécules chez la bactérie E Coli
http://kirschner.med.harvard.edu/fil...ersHandout.pdf
En première approximation, le nombre de molécules sera proportionnel au poids de la cellule

Si tes élèves ne sont pas trop fâchés avec les maths, tu peux essayer de calculer avec eux le nombre de molécule d'eau dans une cellule, avec:
-la masse d'une cellule humaine (on va dire 1.10^-9 g)
-le pourcentage massique d'eau (on va dire 50%)
-la masse d'une molécule d'eau (s'ils connaissent déjà Avogadro ils peuvent le faire. Sinon c'est 3.10^-23 g)

Ce qui nous donne environ 16 666 666 666 666 molecules d'eau par cellule; Espérons qu'ils arrêteront de faire la confusion

NB/ Les bactéries sont des êtres vivants - Pour les virus, des débats existent sur le sujet.

[vpharmaco]

Google est décidément magique: Une référence en plus sur le sujet http://www.foresight.org/Nanomedicine/Ch03_1.html
Voir en particulier le tableau 3-2.
Mon calcul était pas trop mal finalement

NB: Le nombre de "type moléculaire" me semble sous-estimé, notamment pour les protéines et la catégorie "others".

[vpharmaco]

On trouve aussi ce genre de jolies animations sur le web http://learn.genetics.utah.edu/content/cells/scale/

[A voir en vidéo sur Futura]

[aztekorus]

Génial, c’est exactement ce que je recherchais; le tableau 3.2 est nickel!
Evidemment, je n'aborderai pas tout cela avec mes élèves de 4ème, les pauvres!!
Pour le calcul, j'aimerais bien leur faire faire mais je risque d'en perdre une grande partie, d'autant plus que les puissances de 10 ne sont abordées qu'en quatrième il me semble. J’essaierai tout de même avec une classe en fonction de leur avancement du progamme en maths.
En ce qui concerne l'animation, je préfère celle-ci: scale of the universe .

Un grand merci à vpharmaco !!

[Geb]

Google est décidément magique: Une référence en plus sur le sujet http://www.foresight.org/Nanomedicine/Ch03_1.html
Voir en particulier le tableau 3-2.

Ce tableau 3-2 est tout à fait fascinant.

L'auteur cite des références :

Table 3-2. Estimated Gross Molecular Contents of a Typical 20-micron Human Cell
(compiled and revised from [398, 531, 758-760, 938])

J'ai trouvé ces références dans le bas de cette page web dédié au même livre cité par vpharmaco : Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities

On a donc :

398. Thomas M. Devlin, ed., Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, Third Edition, Wiley-Liss, New York, 1992.

531. Bruce Alberts, Dennis Bray, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, James D. Watson, The Molecular Biology of the Cell, Second Edition, Garland Publishing, Inc., New York, 1989.

758. Arthur C. Giese, Cell Physiology, 5th Edition, W.B. Saunders Company, Philadelphia PA, 1979.

759. Geoffrey Zubay, Biochemistry, 3rd Edition, William C. Brown Publishers, Dubuque IA, 1993.

760. Philip L. Altman, Dorothy S. Dittmer, eds., Biology Data Book, Federation of American Societies for Experimental Biology, Washington DC, 1964.

938. Ariel G. Loewy, Philip Siekevitz, John R. Menninger, Jonathan A.N. Gallant, Cell Structure and Function: An Integrated Approach, Third Edition, Saunders College Publishing, Philadelphia PA, 1991.

Le mieux serait de demander à l'auteur (Robert A. Freitas Jr.) qu'il nous explique précisément toutes les étapes de son calcul à partir des sources susmentionnées, mais bon, j'ai peu d'espoir qu'il le puisse (c'était il y a 15 ans).

NB: Le nombre de "type moléculaire" me semble sous-estimé, notamment pour les protéines et la catégorie "others".

Il s'agit tout de même d'un livre publié en 1999. Les bases de données des biologistes moléculaires se sont remplies depuis lors.

Par contre, si le nombre de "type de protéines" suit la "classification EC" (ce qui m'étonnerait beaucoup quand même), ça n'est pas étonnant, puisque les nombres EC attribués par la Commission des Enzymes était en 2012 (je ne connais pas de données plus récentes) de ~4800 protéines différentes dans le vivant.

Aussi, je me permets d'ajouter une publication qui s'est attachée récemment à répondre à la question du nombre (approximatif) de cellules humaines dans le corps d'un jeune homme adulte de 30 ans qui pèse 70 kg pour 1,72 m :

An estimation of the number of cells in the human body (Bianconi et al., 2013)

Apparemment, et ça ne m'étonne pas du tout, il y avait beaucoup de confusion sur le sujet : le nombre de cellules humaines dans un tel corps humain variait jusque-là de 1000 milliards (10¹²) à 100 milliards de milliards (10²⁰) de cellules humaines dans un corps humain.

Le nombre annoncé par cette publication, est d'environ 37200 milliards (3,72 × 10¹³).

Cela ne faisait pas partie des questions de départ posées par aztekorus, mais je trouvais tout de même ce nombre intéressant dans ce cadre.

Cordialement.

[Geb]

J'ai trouvé une autre information intéressante dans une publication de 2008 :

Experimental studies of proton translocation reactions in biological systems: Electrogenic events in heme-copper oxidases (Lepp, 2008)

Dans l'introduction (en page 14 du pdf), on peut lire :

The amount of ATP that human beings require for functioning during one day is impressive. For example, a male of 70 kg needs ~8400 kJ per day, which corresponds to the energy released from hydrolysis of ~83 kg of ATP into ADP (which is an exergonic reaction, releasing ~31 kJ/mol of free-energy), but only ~250 g of ATP is available in the human body. Thus, each ATP has to be recycled from ADP ~300 times per day.

C'est un calcul à faire facilement avec des étudiants. En outre, en le croisant avec les résultats de Bianconi et al. (2013) cité dans mon message précédent, à savoir ~3,72 × 1013 cellules humaines pour un homme de 70 kg, on a une moyenne de ~7 picogrammes (~6,72 × 10^-12 g) d'ATP (C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃) par cellule. Soit, étant donné la masse molaire de l'ATP (507 g/mol), environ milliards de molécules d'ATP par cellule.

Cordialement.