COURS DE BIOLOGIE GÉNÉRALE, 4ÈME ANNÉE DES HUMANITÉS SCIENTIFIQUES

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

PRÉLIMINAIRES

I. Présentation du cours

Ce programme de Biologie Générale offre une synthèse intégrée des principes fondamentaux régissant le monde vivant, de l’échelle moléculaire à celle des écosystèmes. Il est structuré pour fournir une base de connaissances exhaustive et moderne, destinée à préparer les élèves aux cursus universitaires les plus exigeants en sciences de la vie, en médecine et en agronomie, tout en les ancrant dans les réalités biologiques de la République Démocratique du Congo.

II. Objectifs généraux

L’objectif principal est de développer une compréhension conceptuelle approfondie des processus vitaux. Le cours vise à élucider la logique de l’organisation cellulaire, la gestion des flux d’énergie et d’information génétique, la complexité des interactions écologiques et le potentiel des applications biotechnologiques pour répondre aux défis contemporains.

III. Compétences visées

À l’issue de cette formation, l’élève sera capable d’analyser des données expérimentales, d’interpréter des mécanismes biologiques complexes, de relier les structures moléculaires à leurs fonctions cellulaires et physiologiques, et d’évaluer de manière critique les implications des avancées biologiques sur la société et l’environnement.

IV. Méthode d’évaluation

L’évaluation combinera la vérification des connaissances théoriques par des examens écrits, l’analyse de documents scientifiques, la résolution de problèmes de génétique et de métabolisme, et la réalisation d’études de cas. Un accent particulier sera mis sur la capacité à appliquer les concepts à des problématiques spécifiques, telles que la conservation de la biodiversité du Parc de la Salonga ou les enjeux de santé publique.

V. Matériel requis

La réussite dans ce cours dépend de l’accès à un laboratoire équipé pour des observations microscopiques, des dissections et des expériences de physiologie de base. L’utilisation de modèles moléculaires, de schémas métaboliques détaillés et de ressources numériques (bases de données génomiques, animations 3D) est également indispensable pour la visualisation des concepts abstraits.

PREMIÈRE PARTIE : ORGANISATION CELLULAIRE ET MÉTABOLISMES 🔬

Cette partie fondamentale explore la cellule, unité structurale et fonctionnelle de la vie. Elle détaille l’architecture complexe des cellules et examine les voies métaboliques qui orchestrent la transformation de la matière et de l’énergie. La compréhension de ces processus est la clé pour déchiffrer le fonctionnement de tout organisme vivant, du micro-organisme dans le sol du Kivu à l’éléphant de forêt.

CHAPITRE 1 : STRUCTURE CELLULAIRE

1.1 Composition de la membrane plasmique

La membrane plasmique est présentée comme une frontière dynamique et sélective, dont le modèle de la mosaïque fluide est étudié en détail. La structure des phospholipides, des protéines membranaires (canaux, récepteurs) et du cholestérol est analysée pour expliquer ses fonctions de transport, de signalisation et d’adhérence.

1.2 Organites et cytosquelette

Ce chapitre propose une visite guidée de l’intérieur de la cellule eucaryote. Chaque organite (noyau, mitochondries, réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, lysosomes) est décrit en termes de structure et de fonction spécialisée. Le cytosquelette est présenté comme l’armature dynamique qui assure la forme, le mouvement et le transport intracellulaire.

1.3 Paroi cellulaire

La structure et la composition de la paroi cellulaire sont comparées chez les bactéries, les champignons et les végétaux. Son rôle dans la protection mécanique, la prévention de l’éclatement osmotique et la détermination de la forme cellulaire est mis en évidence, en expliquant par exemple la rigidité des grands arbres de la forêt équatoriale.

1.4 Communication intercellulaire

Les mécanismes par lesquels les cellules communiquent entre elles sont explorés. L’étude couvre les jonctions cellulaires (communicantes, serrées, desmosomes) qui assurent la cohésion des tissus, ainsi que la signalisation à distance par l’intermédiaire de molécules-signaux comme les hormones.

CHAPITRE 2 : MÉTABOLISME ÉNERGÉTIQUE

2.1 Glycolyse et fermentation

La glycolyse est étudiée comme la voie métabolique universelle de dégradation du glucose, se déroulant dans le cytoplasme et produisant de l’ATP sans nécessiter d’oxygène. Les processus de fermentation (lactique et alcoolique) sont présentés comme des stratégies alternatives pour régénérer le NAD+ en conditions anaérobies, un principe exploité dans la production de boissons fermentées traditionnelles comme le vin de palme.

2.2 Cycle de Krebs

Le cycle de Krebs (ou cycle de l’acide citrique) est analysé comme la plaque tournante du catabolisme aérobie, se déroulant dans la matrice mitochondriale. Il achève l’oxydation du glucose et produit des transporteurs d’électrons réduits (NADH, FADH2) ainsi qu’un peu d’ATP.

2.3 Chaîne respiratoire et ATP synthase

La phosphorylation oxydative est présentée comme l’étape la plus productive en ATP de la respiration cellulaire. Le fonctionnement de la chaîne de transport d’électrons, localisée sur la membrane interne mitochondriale, et le mécanisme de l’ATP synthase, qui utilise le gradient de protons pour synthétiser l’ATP, sont décrits en détail.

2.4 Photosynthèse

Le processus de la photosynthèse est étudié comme le mécanisme fondamental par lequel l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique. Les deux phases (photochimique et non-photochimique ou cycle de Calvin), la structure du chloroplaste et le rôle des pigments chlorophylliens sont expliqués comme étant à la base de la productivité de la biomasse terrestre.

CHAPITRE 3 : BIOSYNTHÈSE ET DÉGRADATION DES MOLÉCULES

3.1 Synthèse des protéines

Ce chapitre détaille les étapes de la biosynthèse des protéines (traduction), depuis l’initiation sur le ribosome jusqu’à la terminaison. Le rôle crucial de l’ARNm comme messager, de l’ARNt comme adaptateur et des ribosomes comme usines d’assemblage est mis en lumière.

3.2 Métabolisme des lipides

Les voies de synthèse (lipogenèse) et de dégradation (β-oxydation) des acides gras sont explorées. Le rôle des lipides comme molécules de stockage d’énergie à long terme, composants des membranes et précurseurs hormonaux est souligné.

3.3 Synthèse des glucides

La néoglucogenèse, voie de synthèse du glucose à partir de précurseurs non glucidiques, est présentée comme un processus vital pour le maintien de la glycémie. La synthèse du glycogène (glycogénogenèse) comme forme de stockage du glucose chez les animaux est également abordée.

3.4 Voies de détoxication

Le rôle du foie dans le métabolisme des substances toxiques et des médicaments est étudié. Les réactions de phase I (cytochrome P450) et de phase II (conjugaison) sont décrites comme les mécanismes biochimiques qui transforment les composés lipophiles en dérivés hydrosolubles plus facilement excrétables.

CHAPITRE 4 : RÉGULATION MÉTABOLIQUE

4.1 Contrôle allostérique

La régulation allostérique des enzymes est présentée comme un mécanisme de contrôle rapide et sensible. La liaison d’effecteurs (activateurs ou inhibiteurs) à des sites régulateurs modifie la conformation de l’enzyme et son activité catalytique, permettant d’ajuster finement le flux métabolique.

4.2 Hormones et signaux cellulaires

La régulation métabolique à l’échelle de l’organisme entier est étudiée à travers l’action d’hormones clés comme l’insuline et le glucagon. Leurs mécanismes d’action, via des récepteurs membranaires et des cascades de signalisation intracellulaire, illustrent comment les cellules coordonnent leur métabolisme.

4.3 Feedback et feedforward

Les principes de rétro-inhibition (feedback), où le produit final d’une voie inhibe une étape en amont, sont expliqués comme une stratégie d’autorégulation efficace pour éviter la surproduction. La régulation anticipatrice (feedforward) est également présentée.

4.4 Adaptations au stress

Les réponses métaboliques de l’organisme à différentes situations de stress, comme le jeûne ou l’exercice physique intense, sont analysées. Ces adaptations illustrent la flexibilité et la robustesse des réseaux métaboliques pour maintenir l’homéostasie.

DEUXIÈME PARTIE : GÉNÉTIQUE ET BIOLOGIE MOLÉCULAIRE 🧬

Cette section plonge au cœur de l’information qui dirige la vie. Elle décrypte la structure des acides nucléiques (ADN et ARN) et élucide les processus fondamentaux par lesquels l’information génétique est stockée, dupliquée, exprimée et réparée. La maîtrise de ces mécanismes est essentielle pour comprendre l’hérédité, l’évolution et les bases moléculaires des maladies, y compris des affections prévalentes en RDC comme la drépanocytose.

CHAPITRE 5 : STRUCTURE DE L’ADN ET DE L’ARN

5.1 Double hélice et histones

La structure en double hélice de l’ADN, découverte par Watson et Crick, est étudiée en détail, en insistant sur la complémentarité des bases et l’antiparallélisme des brins. Le compactage de l’ADN dans le noyau eucaryote grâce à son enroulement autour des protéines histones pour former la chromatine est également expliqué.

5.2 ARNm, ARNt et ARNr

Les trois principaux types d’ARN et leurs rôles respectifs dans l’expression génique sont décrits. L’ARN messager (ARNm) transporte l’information du noyau au cytoplasme, l’ARN de transfert (ARNt) sert d’adaptateur entre les codons et les acides aminés, et l’ARN ribosomal (ARNr) est un composant structural et catalytique des ribosomes.

5.3 Épissage et modifications post-transcriptionnelles

Les étapes de maturation de l’ARN pré-messager chez les eucaryotes sont détaillées. L’épissage, qui consiste en l’excision des introns et la ligature des exons, et l’ajout de la coiffe en 5′ et de la queue poly-A en 3′ sont présentés comme des mécanismes cruciaux pour produire un ARNm mature et stable.

5.4 Régulation épigénétique

L’épigénétique est introduite comme l’étude des modifications chimiques de l’ADN (méthylation) et des histones qui modulent l’expression des gènes sans changer la séquence d’ADN elle-même. Ces marques épigénétiques sont héritables et influencées par l’environnement.

CHAPITRE 6 : RÉPLICATION ET RÉPARATION

6.1 Origines de réplication

Le processus de réplication de l’ADN débute à des sites spécifiques appelés origines de réplication. La machinerie protéique qui s’assemble à ces origines pour initier la séparation des deux brins d’ADN est décrite.

6.2 ADN polymérases et fourches

Le mécanisme de la réplication semi-conservative est expliqué en détail au niveau de la fourche de réplication. Le rôle des enzymes clés, comme l’hélicase, les primases et surtout les ADN polymérases, ainsi que la différence entre la synthèse du brin continu et du brin discontinu (fragments d’Okazaki), sont étudiés.

6.3 Mécanismes de réparation

Pour maintenir l’intégrité du génome, les cellules disposent de multiples systèmes de réparation de l’ADN. Les principaux mécanismes, comme la réparation par excision de base, la réparation par excision de nucléotides et la réparation des mésappariements, sont présentés.

6.4 Télomères et sénescence

Les télomères, structures protectrices aux extrémités des chromosomes, sont étudiés. Leur raccourcissement progressif à chaque cycle de réplication est lié au processus de vieillissement cellulaire (sénescence), et l’enzyme télomérase est présentée comme un facteur clé de l’immortalité des cellules cancéreuses.

CHAPITRE 7 : TRANSCRIPTION GÉNIQUE

7.1 Complexe d’initiation

La transcription, ou synthèse d’un ARN à partir d’un modèle d’ADN, est initiée par l’assemblage d’un complexe de pré-initiation sur le promoteur du gène. Le rôle de l’ARN polymérase et des facteurs de transcription généraux dans ce processus est central.

7.2 Facteurs de transcription

Les facteurs de transcription spécifiques sont présentés comme les protéines régulatrices qui contrôlent quels gènes sont activés ou réprimés dans une cellule donnée et à un moment donné. Ils se lient à des séquences régulatrices spécifiques (enhancers, silencers) pour moduler l’activité de la transcription.

7.3 Élongation et terminaison

Les phases d’élongation, où l’ARN polymérase synthétise le brin d’ARN, et de terminaison, qui signale la fin de la transcription, sont décrites. Les mécanismes de correction d’épreuves de l’ARN polymérase sont également abordés.

7.4 Contrôle transcriptionnel

Ce chapitre synthétise les différents niveaux de régulation de la transcription, qui constituent le principal point de contrôle de l’expression des gènes. Cette régulation fine est à la base de la différenciation cellulaire et de la réponse des cellules aux signaux environnementaux.

CHAPITRE 8 : TRADUCTION ET RÉGULATION

8.1 Ribosomes

La structure et la fonction des ribosomes, les complexes ribonucléoprotéiques qui catalysent la synthèse des protéines, sont étudiées. Les rôles des différentes sous-unités et des sites A, P et E dans le processus de traduction sont détaillés.

8.2 Code génétique

Le code génétique est présenté comme le dictionnaire qui établit la correspondance entre les codons de trois nucléotides sur l’ARNm et les 20 acides aminés. Ses propriétés fondamentales (universalité, redondance, non-chevauchement) sont analysées.

8.3 Modifications post-traductionnelles

Après leur synthèse, de nombreuses protéines subissent des modifications chimiques (phosphorylation, glycosylation, etc.) qui sont cruciales pour leur repliement correct, leur localisation et leur activité fonctionnelle.

8.4 Contrôle de la qualité

Les cellules possèdent des mécanismes de surveillance pour détecter et dégrader les ARNm et les protéines aberrants ou mal repliés. Le système ubiquitine-protéasome est présenté comme la principale voie de dégradation des protéines ciblées.

TROISIÈME PARTIE : BIOLOGIE DES ORGANISMES ET ÉCOLOGIE 🌳

Cette section élargit la perspective de l’échelle moléculaire à celle des organismes entiers et de leurs interactions. Elle explore l’immense diversité du vivant, analyse la physiologie intégrée des systèmes qui assurent le fonctionnement des organismes complexes, et étudie les principes de l’écologie qui régissent la dynamique des populations et la structure des écosystèmes, en s’appuyant sur la richesse exceptionnelle de la faune et de la flore congolaises.

CHAPITRE 9 : DIVERSITÉ VÉGÉTALE ET ANIMALE

9.1 Classification et phylogénie

Les principes de la taxonomie moderne, qui classifie les organismes en fonction de leurs relations évolutives (phylogénie), sont introduits. L’utilisation des arbres phylogénétiques pour représenter l’histoire évolutive du vivant est expliquée.

9.2 Caractères morphologiques clés

Les grands plans d’organisation et les innovations morphologiques qui caractérisent les principaux embranchements du règne animal et végétal sont passés en revue. Des exemples emblématiques de la biodiversité congolaise, comme l’okapi ou le paon congolais, seront utilisés pour illustrer ces concepts.

9.3 Adaptations évolutives

Ce chapitre examine comment les organismes développent des adaptations morphologiques, physiologiques et comportementales en réponse aux pressions de leur environnement. Les adaptations à des milieux extrêmes, comme les grottes du Bas-Congo ou les sommets du Ruwenzori, sont discutées.

9.4 Importance écologique

La diversité des espèces est présentée comme un élément clé de la stabilité et de la résilience des écosystèmes. Le rôle fonctionnel de différents groupes d’organismes (pollinisateurs, décomposeurs, ingénieurs d’écosystème) est analysé.

CHAPITRE 10 : PHYSIOLOGIE DES SYSTÈMES

10.1 Appareil circulatoire et respiration

La physiologie comparée des systèmes circulatoire (ouvert vs fermé) et respiratoire (branchies, poumons, trachées) est étudiée. Le transport de l’oxygène et du dioxyde de carbone et son couplage avec la circulation sanguine sont analysés.

10.2 Système nerveux et hormonal

Les deux grands systèmes de communication et de coordination de l’organisme sont présentés. Le système nerveux assure une signalisation rapide par des influx électriques et des neurotransmetteurs, tandis que le système endocrinien utilise des hormones transportées par le sang pour une régulation plus lente et diffuse.

10.3 Système digestif et excréteur

Les processus de digestion (mécanique et chimique) et d’absorption des nutriments sont décrits. Le système excréteur, notamment le rein des vertébrés, est étudié pour son rôle crucial dans l’osmorégulation et l’élimination des déchets métaboliques azotés.

10.4 Homéostasie

L’homéostasie est présentée comme le concept unificateur de la physiologie, désignant le maintien de la stabilité du milieu intérieur malgré les fluctuations de l’environnement externe. Les mécanismes de régulation par rétroaction négative sont illustrés par le contrôle de la température corporelle et de la glycémie.

CHAPITRE 11 : ÉCOLOGIE DES POPULATIONS

11.1 Dynamique et croissance

Ce chapitre introduit les modèles mathématiques de base qui décrivent la croissance des populations. La croissance exponentielle (en l’absence de facteurs limitants) et la croissance logistique (qui intègre la notion de capacité de charge du milieu) sont comparées.

11.2 Interactions intra- et interspécifiques

Les différentes interactions qui lient les individus au sein d’une population (compétition intraspécifique) et entre populations de différentes espèces (prédation, parasitisme, mutualisme, compétition interspécifique) sont définies et analysées pour leur impact sur la dynamique des populations.

11.3 Densité et répartition

Les descripteurs clés d’une population, sa densité (nombre d’individus par unité de surface) et son patron de répartition spatiale (agrégée, uniforme, aléatoire), sont étudiés. Les méthodes d’estimation de la taille des populations sont également abordées.

11.4 Stratégies de reproduction

Les différentes stratégies démographiques (stratégies r et K) sont présentées comme des compromis évolutifs entre la quantité et la qualité de la descendance, en lien avec la stabilité de l’environnement.

CHAPITRE 12 : ÉCOSYSTÈMES ET BIOMES

12.1 Flux d’énergie et cycles biogéochimiques

Le fonctionnement d’un écosystème est analysé en termes de flux d’énergie (qui est unidirectionnel et dissipatif) et de cycles de la matière (qui est recyclée). Les pyramides écologiques et les cycles du carbone, de l’azote et du phosphore sont étudiés en détail.

12.2 Succession écologique

La succession écologique est définie comme le processus de changement graduel et directionnel de la composition en espèces d’une communauté au fil du temps, depuis les stades pionniers jusqu’au stade climax, comme la recolonisation d’une clairière dans la forêt de l’Ituri.

12.3 Biodiversité et services écosystémiques

La biodiversité est présentée non seulement comme une richesse en espèces, mais aussi comme le support des services écosystémiques, les bénéfices que les humains tirent des écosystèmes (pollinisation, purification de l’eau, régulation du climat).

12.4 Impacts anthropiques

Les principales menaces d’origine humaine qui pèsent sur les écosystèmes, telles que la destruction des habitats, la surexploitation, la pollution, les espèces invasives et le changement climatique, sont analysées avec des exemples concrets tirés du contexte congolais (déforestation, exploitation minière artisanale).

QUATRIÈME PARTIE : BIOTECHNOLOGIE ET SCIENCES DE L’ACTUALITÉ 🌍

Cette partie finale fait le pont entre la biologie fondamentale et ses applications technologiques les plus récentes. Elle explore les outils du génie génétique qui révolutionnent la médecine et l’agriculture, et aborde les enjeux sociétaux et éthiques soulevés par ces nouvelles capacités. L’objectif est de former des citoyens scientifiquement éclairés, capables de participer aux débats sur les orientations technologiques de la société.

CHAPITRE 13 : GÉNIE GÉNÉTIQUE

13.1 Techniques d’édition génomique (CRISPR-Cas9)

La révolution de l’édition du génome est présentée à travers la technologie CRISPR-Cas9. Son mécanisme d’action, qui permet de cibler et de modifier des séquences d’ADN avec une précision inégalée, est expliqué. Ses applications potentielles dans la recherche et la thérapie sont discutées.

13.2 Vecteurs et clonage

Les techniques de base de l’ADN recombinant sont abordées. L’utilisation de vecteurs (plasmides, virus) pour introduire un gène d’intérêt dans une cellule hôte et le principe du clonage moléculaire pour produire de grandes quantités de ce gène ou de sa protéine sont décrits.

13.3 Thérapies géniques

La thérapie génique est étudiée comme une approche médicale visant à corriger des maladies génétiques en introduisant une version fonctionnelle d’un gène défectueux dans les cellules d’un patient. Les défis et les succès de cette stratégie sont examinés, notamment pour des maladies comme la drépanocytose.

13.4 Applications agricoles

Les biotechnologies végétales, notamment la création de plantes génétiquement modifiées (PGM), sont présentées. Les objectifs visés (résistance aux herbicides, aux insectes, amélioration nutritionnelle) et les débats que ces technologies suscitent sont analysés dans le contexte de la sécurité alimentaire, par exemple pour l’amélioration des variétés de manioc au Congo.

CHAPITRE 14 : BIOTECHNOLOGIES ET DÉVELOPPEMENT DURABLE

14.1 Production de biocarburants

L’utilisation de la biomasse pour produire des carburants renouvelables (bioéthanol, biodiesel) est explorée comme une alternative aux combustibles fossiles. Les différentes générations de biocarburants et les enjeux liés à leur production (compétition avec l’usage alimentaire des terres) sont discutés.

14.2 Bioremédiation

La bioremédiation est présentée comme une approche biotechnologique qui utilise des micro-organismes ou des plantes pour dégrader ou extraire les polluants de l’environnement. Son potentiel pour la réhabilitation de sites contaminés, par exemple par des activités minières dans la région de Kolwezi, est mis en avant.

14.3 Bioéthique

Ce chapitre aborde les questions éthiques, légales et sociales soulevées par les avancées en biologie et en biotechnologie. Les débats sur le clonage, l’utilisation des cellules souches, les OGM et l’édition du génome humain sont présentés pour encourager une réflexion critique et informée.

14.4 Perspectives et défis

En conclusion, le cours s’ouvre sur les domaines émergents de la biologie, comme la biologie de synthèse et la bio-informatique. Les grands défis scientifiques et sociétaux que la biologie du XXIe siècle devra relever (santé, alimentation, environnement) sont esquissés, soulignant l’importance d’une solide formation scientifique pour les futurs leaders.