CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT. Chapitre 3 : L ADN, support moléculaire de l information génétique

Transcription

1 CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT Chapitre 3 : L ADN, support moléculaire de l information génétique Introduction : quelques rappels de 3 e Activité 1 : Différents caryotypes classés 1) Comparer les caryotypes ci-dessus. Indiquer : - les caractéristiques présentées par les caryotypes des cellules d un même individu, Toutes les cellules d un individu ont des caryotypes semblables. - les caractéristiques présentées par les caryotypes d espèces différentes. Les chromosomes sont différents en nombre et en forme dans chaque espèce, animale ou végétale. Ils sont porteurs d informations génétiques différentes. Le caryotype est caractéristique d'une espèce : les individus d une même espèce ont le même caryotype. 2) Indiquer quelles sont les conséquences d une modification du nombre de chromosomes au sein d une espèce. Toute modification du nombre ou de la forme des chromosomes peut empêcher le développement de l'embryon ou entraîner des modifications des caractères, des malformations ou des retards chez l'enfant. 3) Quel est le rôle des chromosomes. Justifier. Les chromosomes sont le support des informations dictant les caractères héréditaires, car un nombre anormal de chromosomes entraîne l apparition de caractères différents. Rappels : Chaque cellule humaine possède 23 paires de chromosomes. Un nombre anormal de chromosomes empêche le développement de l'embryon ou entraîne des caractères différents chez l'individu concerné. 1

2 Toutes les cellules d un même organisme, à l'exception des cellules reproductrices (spermatozoïdes, ovules), possèdent la même information génétique que la cellule-œuf dont elles proviennent. Les chromosomes présents dans le noyau constituent le support «structural» de l information héréditaire. Une chromatide Une chromatide centromère Un chromosome (condensé) à une chromatide (quantité Q d ADN) Un chromosome condensé à deux chromatides (quantité 2Q d ADN) QUEL EST LE SUPPORT MOLECULAIRE DE L INFORMATION HEREDITAIRE? I] Le support du programme génétique Rappel 3ème : Sous quelle forme se trouve l information génétique contenue dans le noyau? Présence de chromosomes dans le noyau Mais on parle aussi d ADN à propos du programme génétique Quel est le lien entre les chromosomes et l ADN? Hypothèse : l'adn est le constituant des chromosomes 1) Les chromosomes au cours de la vie cellulaire Activité 2 : Observation au microscope de cellules de racine d ail en division. 1) Indiquer le colorant utilisé pour colorer la lame. Expliquer ce qu indique la coloration au sujet de la composition chimique des chromosomes ou du noyau. L hématoxyline ferrique a été utilisé sur la racine d ail. C est un colorant qui colore l ADN (le matériel nucléaire). Les chromosomes puisqu ils fixent l hématoxyline ferrique sont donc composés d ADN. 2) Expliquer pourquoi l observation de ces cellules colorées confirme la permanence des chromosomes dans la cellule eucaryote à tous les stades de la vie cellulaire. Les chromosomes sont des structures permanentes de la cellule puisque la coloration est présente aussi bien en période de division où les chromosomes sont visibles, qu en phase où les chromosomes ne sont pas individualisés et donc visibles. 3) A l aide de l observation, identifier deux phases du cycle cellulaire et indiquer ce qui caractérise chaque phase. 2

3 Une phase où les chromosomes sont visibles : division cellulaire ou mitose. Une phase où les chromosomes ne sont visibles : interphase 4) Classer les photos ci-dessous des différentes étapes de la division cellulaire par ordre chronologique et décrire les étapes de la division cellulaire : A B C D E F C : cellule mère, chromosomes non individualisés B : début de la division : chromosomes à 2 chromatides visibles F : alignement des chromosomes au centre de la cellule D : division en 2 des chromosomes : obtention de 2 lots identiques de chromosomes à 1 chromatide A : migration des 2 lots de chromosomes à 1 chromatides aux extrémités opposées de la cellule E : obtention de 2 cellules filles contenant la même information génétique que la cellule mère 5) Construire le graphique de l évolution de la quantité d ADN dans une cellule qui se prépare à se multiplier en fonction du temps et interpréter le graphique obtenu. Nombre de chromosomes et quantité d ADN au cours du temps dans une cellule d oignon qui se prépare à se multiplier. Temps en heures Nombre de chromosomes par cellule Quantité d ADN par cellule en picogramme 4,4 4,4 4,4 6,5 8,8 8,8 8,8 Avant la division cellulaire, la cellule se prépare à se diviser en doublant la quantité d ADN que contient son noyau. 3

4 6) A l aide des observations réalisées et de vos connaissances, indiquer les différentes étapes se déroulant avant et pendant la division cellulaire ou mitose. La division d une cellule : - est préparée par la synthèse, avant la division, d une 2 e chromatide pour chacun des chromosomes; - se caractérise par la séparation des chromosomes obtenus en 2 lots identiques de chromosomes à une chromatide. 7) Réaliser un schéma bilan illustrant le mécanisme de la division cellulaire. Bilan : Les chromosomes sont visibles uniquement lors de la mitose, en dehors de ces périodes, ils n existent que sous une forme déroulée qui constitue l ensemble de la chromatine. Les chromosomes gardent, au cours des divisions, toute l information génétique. 2) Composition chimique des chromosomes Activité 3 : Chromosomes et ADN 1) Question 1 page 178 du livre. L ADN est une molécule filamenteuse présente chez tous les êtres vivants qu ils soient eucaryotes (humain) ou procaryote (bactérie). Chaque chromosome est formé d un long filament d ADN compacté. 2) Question 2 page 180 du livre. Si les mêmes méthodes de coloration et d extraction d ADN peuvent être utilisées pour des organismes différents, cela signifierait que l ADN présente une structure et une composition chimique semblable chez tous les êtres vivants. 3) Indiquer à partir des documents pages 178 et 179 du livre, la nature chimique des chromosomes. Un chromosome est composé d une longue molécule d acide désoxyribonucléique (ADN) maintenue repliée par des protéines. 4) Calcul : Et si l ADN était un fil de laine? Si on considère que les chromosomes sont des pelotes de laine et que notre salle de classe correspond au noyau d une cellule humaine, on peut en déduire la longueur de la molécule d'adn et son diamètre à l'échelle de cette classe. - Diamètre du noyau d une cellule eucaryote 15 µm - Volume de la salle de classe 150 m 3 ce qui correspond au volume d une sphère de 6,59 m de diamètre - Longueur totale de l ADN contenu dans le noyau d une cellule humaine 2 m 4

5 - Diamètre de la molécule d ADN 2 nm Calculer la longueur totale de l ADN et son diamètre à l échelle de la classe. Longueur de l ADN à l échelle de la classe : 2 x 6,59 / m 3 = m = 879 km Diamètre de la molécule d ADN : 8, m = 0,88 mm A l échelle de la classe le fil de laine représentant l ADN ferait 879 km pour un diamètre de 0,88 mm. L ADN est extrêmement compacté à l intérieur des chromosomes. Bilan : Chaque chromosome est formé d ADN associé à des protéines. L ADN molécule filamenteuse constituant les chromosomes est présent dans l ensemble du monde vivant. 3) La transgénèse et l universalité de la molécule d ADN a) La transgénèse, transfert d ADN entre espèces Activité 4 : Une découverte scientifique les OGM Objectif Comprendre comment et pourquoi on crée du maïs transgénique, à l aide du site internet de l Assemblée Nationale. Déroulement Se rendre sur le site de l Assemblée Nationale : 1) Qu est ce qu un OGM? (sélectionner «abécédaire» et chercher à la lettre O) Organisme génétiquement modifié (OGM) : organisme vivant dont on a modifié le matériel génétique par introduction d'un ou plusieurs gènes étrangers afin de lui conférer une ou des caractéristiques nouvelles transmissibles à la descendance. Sélectionner dans «1 Découverte scientifique» : «Introduction» 2) Exposer le principe de la transgénèse. La transgénèse permet le transfert d un gène d intérêt, apportant un nouveau caractère, dans un organisme appelé alors Organisme Génétiquement Modifié (OGM). Revenir en arrière, sélectionner dans «1 Découverte scientifique» : «Animation Fabrication d un OGM» 3) Expliquer sous forme de schémas simples comment est créé le maïs transgénique. 5

6 4) Indiquer l intérêt d un OGM tel que ce maïs transgénique en agriculture. Le maïs OGM résiste à la larve de pyrale grâce à l expression du gène Bt qui code pour une protéine mortelle pour la larve de pyrale. Ceci permet de limiter l emploi de produits chimiques nuisibles à l environnement et bien souvent toxiques pour les agriculteurs. Sur le plan économique, le but est d améliorer les rendements agricoles. Cliquer sur «Suite» 5) Indiquer d autres OGM créés par l homme. Riz dit "golden rice" : améliorer les propriétés nutritives pour pallier des carences. Tabac transgénique : produire des protéines thérapeutiques (hémoglobine) Saumon transgénique : permettre l élevage dans des conditions climatiques extrêmes Tomate "Flavr Savr" : améliorer la conservation des aliments Colza transgénique : produire des matières premières en réduisant la pollution 6) Expliquer pourquoi cette expérience permet de dire que l'adn contient une information? La molécule d ADN est bien le support de l information génétique : 1 gène contient l'information pour fabriquer une protéine. 7) Expliquer en quoi la diversité des transgénèses réalisées par l Homme démontre que l ADN est le support universel de l information génétique. Une expérience de transgénèse consiste à introduire un fragment d ADN provenant d une cellule d une espèce dans le noyau d une cellule d une autre espèce. Le fait qu un gène d une espèce puisse s exprimer à l intérieur des cellules de n importe quelle autre espèce montre bien que la signification des informations portées par une molécule d ADN est la même pour toutes les espèces. L ADN est donc le support du programme génétique et ce support est universel. Bilan : Les expériences de transgénèse (introduction d un gène étranger dans une cellule) montrent que le message contenu dans l ADN est compréhensible par toutes les cellules, il est donc 6

7 universel. En effet, n importe quel organisme receveur est capable de produire la molécule initialement codée par un gène étranger. L ADN est le support moléculaire universel de l information génétique, ce qui met en évidence une profonde unité du Vivant à l échelle moléculaire. Principe de l obtention d'un OGM : la trangenèse Organisme donneur du gène qui nous intéresse Exemple : Bactérie Transfert du gène d intérêt Expl : gène de résistance à la pyrale Organisme receveur du gène qui nous intéresse Exemple : Maïs Expression d un nouveau caractère = production d une nouvelle molécule, intéressante pour l'homme Exemple : Maïs OGM résistant à la pyrale b) OGM et société : risques, intérêts et législation Activité : Rechercher des informations sur les intérêts liés aux OGM les risques que soulèvent la fabrication et l'utilisation des OGM : voir livre p.188/189 et le site interministériel sur les OGM ( Intérêts - être résistants à certaines maladies ou à certains insectes, ce qui permet d'éviter ou de réduire l'apport de pesticides, et donc de limiter la consommation des produits chimiques en agriculture - être plus résistantes à des milieux moins favorables et donc pouvoir se développer dans des conditions de sécheresse ou de salinité plus forte - être plus riches en certaines molécules, ce qui permet de les utiliser de façon préventive ou à des fins thérapeutiques - être tolérantes à certains herbicides, ce qui permet donc des traitements plus simples - rôle dans le domaine médical (obtention de molécules, de vaccins ), ou dans la dépollution des sols Risques - risques pour la santé humaine par toxicité ou allergénicité - risques pour l'environnement comme la déstabilisation de certains écosystèmes 7

8 Bilan : L utilisation des OGM présente un intérêt dans les domaines médicaux, agricoles et scientifiques. Cependant, ils pourraient présenter des risques pour l environnement, l économie et la santé. En France, la dissémination des OGM est règlementée (quelques variétés sont autorisées à la culture en France : tabac, chicorée, maïs). II] La structure de la molécule d ADN STRUCTURE DE LA MOLECULE D ADN ET CODAGE DE L INFORMATION GENETIQUE Objectifs - Déterminer la structure de la molécule d ADN - Comprendre comment cette organisation contient une information (génétique) Déroulement - Lancer l'application Raswinsx contenue dans le dossier script_adn. Deux fenêtres se mettent en place : l'une est ouverte et possède un fond noir (nommée "RasMol Version 2.6"), l'autre est réduite et apparaît en bas de l'écran, au niveau de la barre des taches ("RasMol Command Line"). Ouvrir la fenêtre réduite en cliquant sur l onglet dans la barre de taches. - Redimensionner les 2 fenêtres de telle sorte que celle à fond noir occupe les 2/3 gauche de l'écran, celle du "command line" le 1/3 droit restant. - Dans la fenêtre "rasmol command line", écrire sur la ligne où le curseur clignote : script adn.scr puis valider. - La présentation commence : il ne reste plus qu'à suivre les instructions qui s'affichent dans la fenêtre "command line" et répondre aux questions indiquées AU FUR ET A MESURE! 1 ère partie : LA STRUCTURE D UNE MOLECULE D ADN L étude porte sur un fragment d ADN humain. Q1 : Observer attentivement la molécule d ADN, en la faisant tourner verticalement et lentement sur elle-même, et cocher l affirmation correcte : Une molécule d ADN est formée : a) d une seule chaîne d atomes b) de 2 chaînes d atomes Q2 : Donner les noms des atomes constitutifs de la molécule d ADN (Hydrogènes non compris) et indiquer leurs principaux emplacements au sein de la molécule (à l extérieur, au centre ). Les atomes d azote et de carbone sont localisés au centre de la molécule d ADN Les atomes d oxygène et de phosphore sont localisés vers l extérieur de la molécule d ADN Q3 : Montrer, par un schéma simple et coloré, comment les chaînes sont disposées l une par rapport à l autre. (Aide : Reproduire ce qui est observé à l écran) (NB : une chaîne de l ADN est aussi appelée un brin d ADN) 8

9 2 ème partie : LES CONSTITUANTS DE LA MACROMOLECULE D ADN I / Les ensembles moléculaires de base de l ADN : les nucléotides La digestion partielle de l ADN montre qu il s agit d une très grosse molécule (= macromolécule) composée de «n» fois le même ensemble de molécules plus petites : chacun de ces ensembles moléculaires plus petits porte le nom de nucléotide. Il existe plusieurs types de nucléotides. A vous d en trouver le nombre à l aide de la présentation informatique. Q4 : Combien existe-t-il de types de nucléotides différents? 4 nucléotides différents II / Les molécules constituant les nucléotides Q5 : Quel est l atome caractéristique d une base «azotée» (au vu de son nom)? D après la réponse Q1, quelle est logiquement la position des bases azotées au sein de la molécule d ADN (à l extérieur, au centre )? L atome d azote est caractéristique des bases azotées. Les bases azotées se trouvent au centre de la molécule d ADN. Q6 : (Compléter les schémas ci-après) - Repérer le schéma du nucléotide à Adénine, puis colorier et légender chacune de ces molécules constitutives. - Faire ensuite de même pour un nucléotide à Guanine. - Procéder de la même manière pour les 2 autres types de nucléotides. 9

10 BILAN : (Compléter) Chaque nucléotide de l ADN est constitué de 3 molécules : un phosphate + un désoxyribose (sucre) + une base azotée (dont il existe 4 types différents) Q7 : Un nucléotide à Adénine est représenté dans le tableau ci-dessous : chaque molécule constitutive est figurée d après les symboles : Compléter le tableau en réalisant une représentation simplifiée des nucléotides à Guanine, à Thymine, et à Cytosine. Nucléotide à Adénine : Nucléotide à Guanine : P S A Nucléotide à Thymine : Nucléotide à Cytosine : 3 ème partie : LES LIAISONS ENTRE LES NUCLEOTIDES I / Liaisons entre nucléotides d une même chaîne Q8 : Indiquer par lesquelles de leurs molécules 2 nucléotides successifs sont-ils attachés ensembles? (La liaison chimique forte qui les relie est appelée «liaison covalente» : elle clignote temporairement sur l animation). Le groupement phosphate et le groupement désoxyribose Illustrer la réponse Q8, par une représentation simplifiée des 3 nucléotides reliés présentés à l écran. (Voir symboles de la représentation en Q7) 10

11 II / Liaisons entre nucléotides des 2 chaînes : maintien de la structure spatiale de l ADN Les 2 chaînes d ADN spiralées restent solidaires l une de l autre grâce à des liaisons chimiques faibles appelées liaisons hydrogènes (en pointillés jaunes sur l écran de l ordinateur). Elles s établissent entre 2 bases azotées qui situées l une en face de l autre. Q9 : Observer la molécule et identifier les bases azotées qui se font toujours face (on les appelle des «bases complémentaires»). Combien y a-t-il de liaisons hydrogènes entre les bases complémentaires? La base azotée A G est complémentaire de est complémentaire de la base azotée Nombre de liaisons hydrogènes entre les 2 bases complémentaires T 2 C 3 BILAN Q10 : Compléter la représentation simplifiée mais néanmoins complète du fragment d ADN humain étudié. Pour cela, on imagine l ADN déroulé et aplati. L ADN apparaît alors comme une échelle formée de 2 montants et de barreaux ou plateaux. Ajouter les bases azotées (voir symboles de la représentation en Q7) et les liaisons hydrogènes entre les bases. 11

12 4 ème partie : CODAGE DE L INFORMATION GENETIQUE DANS LA MOLECULE D ADN On étudie à présent un fragment d ADN de la levure de bière (Saccharomyces cerevisiae). Q11 : Réaliser le même travail que pour Q10 : réaliser une représentation simplifiée du fragment d ADN de levure étudié (déroulé et aplati sous forme d échelle). Une astuce possible : Choisissez une des 2 chaînes du fragment et schématisez-la. Schématisez l autre chaîne par complémentarité! Q12 : Comparer le fragment d ADN humain et celui de la Levure, à partir de vos représentations en Q10 et Q11 : points communs-différences (répondre dans le cahier). Points communs - Mêmes types de bases azotées : adénine, guanine, cytosine, thymine - Mêmes liaisons entre les bases : A-T et G-C Différences Séquence (alignement) des bases azotées différente Q13 : Compte tenu des résultats de votre comparaison ci-dessus, qu est-ce qui peut constituer une information (génétique) dans la molécule d ADN (répondre dans le cahier)? La séquence formée par l enchaînement des nucléotides (bases azotées) semble pouvoir être à la base d un message génétique. Bilan : Les atomes qui constituent une molécule d ADN ne sont pas disposés au hasard : les atomes de phosphore sont toujours disposés à l extérieur de la molécule d ADN et les atomes d azote sont internes. L ADN est constitué d un assemblage de NUCLEOTIDES organisés en deux chaînes, enroulées en double hélice reliées. Chaque chaîne de la double hélice est complémentaire de l autre chaîne par ses bases azotées. Il existe 4 nucléotides différents qui diffèrent par leur base azotée : la cytosine (C), la guanine (G), l adénine (A), la thymine (T). Une représentation simplifiée de l ADN montre une molécule en échelle dont les montants sont formés d acides phosphoriques et de désoxyriboses et dont les barreaux sont constitués de 2 bases azotées. Les bases sont reliées entre elles par des liaisons hydrogènes et sont complémentaires : 12

13 - L adénine est toujours liée à la thymine - La guanine est toujours liée à la cytosine Schéma simplifié d une molécule d ADN III] L ADN une molécule informative : Séquence de nucléotides et information génétique 1) Séquence nucléotidique et information génétique Comment l information génétique est-elle inscrite dans un gène? Activité 5 : S'informer à partir des docs. 6 et 7 p pour comprendre comment l'information est codée dans un gène. Un gène est caractérisé par une séquence particulière de nucléotides différente d un gène à l autre. Cette séquence constitue un message qui gouverne un aspect du métabolisme cellulaire. Bilan : "Gène" : portion d'adn contenant l'information contrôlant un caractère particulier comme la fabrication d'une molécule. Le nombre et l'ordre précis des nucléotides d'un gène = la séquence de nucléotides d un gène constitue un message ou un code qui permet de fabriquer une protéine donnée. 1 gène = 1 séquence nucléotidique = 1 nombre et 1 ordre précis de nucléotides = 1 information qui permet de fabriquer 1 protéine. La séquence nucléotidique de 2 gènes est donc très différente. 2) Variabilité de la molécule d ADN Qu est-ce que les allèles d un gène? Comment sont leurs séquences? Hyp : identiques ou semblables (= peu différentes) ou très différentes? Activité : TP anagène TP : Le message de l ADN Utiliser le logiciel ANAGENE pour comparer les séquences des gènes et celle des protéines correspondantes. 13

14 I] Structure de l ADN Affichage de six séquences nucléiques différentes provenant de: le Rat (ADNrat), l Homme (ADNhumain1 et ADNhumain2), la Levure (ADNLevure) la bactérie Escherichia Coli (ADNbacterieEC) le virus de l herpès (ADNvirusherpes). 1) Chercher ce que ces fragments d ADN ont en commun et en quoi ils sont différents (proportion des différents nucléotides et ordre de leur agencement). Points communs : mêmes bases azotées (A, T, G, C) Différences : fragment de longueur différente et séquence (= ordre des nucléotides) différente. 2) Réaliser une comparaison simple de deux fragments de même longueur : ADNhumain2 et ADN-virus Herpes. Quel taux de similitude est obtenu? Taux de similitude : 22,2 % 3) Les deux fragments étudiés n ont aucune relation de parenté (eucaryote et virus) qu est-il possible de conclure concernant le taux de similitude de deux molécules composées au hasard et n ayant aucune relation de parenté? Le taux de similitude doit être supérieur à 22,2 % car sinon la ressemblance peut être liée au hasard. II] Variabilité de la molécule d ADN La présence ou l absence de certaines molécules accrochées à la surface de la membrane plasmique des globules rouges (ou hématies) détermine quatre groupes sanguins principaux : A, B, AB et O. Le groupe sanguin A possède à la surface de ses globules rouges la protéine A. Le groupe sanguin B possède à la surface de ses globules rouges la protéine B Le groupe sanguin AB possède à la surface de ses globules rouges les protéines A et B. Le groupe sanguin O ne possède aucune de ces molécules à la surface de ses globules rouges. Un gène situé sur le chromosome 9 contient l information qui permet de fabriquer ces protéines.. Chromosome 9 Ce gène existe sous plusieurs versions ou allèles : Gène du système ABO l allèle A contient une information qui permet de fabriquer la protéine A. l allèle B contient une information qui permet de fabriquer la protéine B. l allèle O contient une information qui ne permet pas la fabrication d une molécule. 14

15 1/ Indiquer de quoi dépend le groupe sanguin d un individu. (Plusieurs éléments de réponse sont attendus.). Le groupe sanguin d un individu dépend des marqueurs (protéines) présents à la surface de ces globules rouges. Ces marqueurs sont fabriqués en fonction des allèles (= versions) du gène du système ABO présents sur les chromosomes 9 de l individu. 2/ Compléter le tableau en schématisant la paire de chromosomes 9 avec les allèles A,B, O que possèdent les individus des différents groupes sanguins. Hématies : Groupe sanguin A B AB O Allèles portés par la paire de chromosomes 9 : 3/ Utiliser le logiciel ANAGENE pour comparer les séquences nucléotidiques des allèles A, B et O. a/ Rappeler ce qu est une séquence nucléotidique 1 séquence nucléotidique = 1 nombre et 1 ordre précis de nucléotides b/ Réaliser un alignement des séquences afin de les comparer : alignement avec discontinuité. c/ Compléter le tableau suivant : Allèle du groupe sanguin Taille du gène (= nombre de nucléotides = nombre de paires de bases). Différences dans la séquence des nucléotides. (ex : A est remplacé par un T perte d un nucléotide) A 1062 bases Séquence de référence. B 1062 bases 4 bases différentes (99,6 % de ressemblance) O 1061 bases 1 base en moins d/ Conclure sur le résultat de la comparaison des séquences nucléotidiques des allèles A, B et O. Les séquences de ces allèles sont très semblables entre 99,6 et 99,9 % de ressemblance. Mais il y a quelques différences au niveau de la séquence. 4/ Analyse des protéines marqueurs A et B : Indiquer le pourcentage de différence entre les deux marqueurs. 4 acides aminés différents, soit 1,1 % de différence 15

16 5/ Expliquer l origine des versions des différents groupes sanguins. L origine des différentes versions des groupes sanguins et lié à des très légères modifications de la séquence nucléotidique qui entraîne la production de marqueur du système ABO légèrement différents. 6/ Expliquer, à partir de cet exemple, pourquoi on peut dire qu une séquence nucléotidique constitue un message. La séquence nucléotidique contient une information qui permet la production d une molécule particulière. Une modification de la séquence nucléotidique peut entraîner une modification du message et donc conduire à la synthèse d une molécule différente. III] Etude d une maladie la drépanocytose (pour ceux ayant fini en avance) La drépanocytose est une maladie génétique caractérisée par l'altération de l'hémoglobine qui assure le transport du dioxygène dans le sang. Les globules rouges ou hématies qui contiennent l'hémoglobine ne sont plus ronds mais prennent une allure aplatie en forme de croissant ou de faucille. Ils bloquent donc les vaisseaux sanguins et empêchent la circulation sanguine de se faire normalement. La drépanocytose est une maladie génétique touchant particulièrement les personnes originaires d Afrique, des Antilles, d Afrique du Nord. Drépanocytose : globules rouges d une personne atteinte de drépanocytose Documents : Fichier => thèmes d étude => Relation génotype phénotype => Phénotypes drépanocytaires Gène 1) Compléter les tableaux suivants : Taille du gène (= nombre de nucléotides = nombre de paires de bases). Différences dans la séquence des nucléotides. (ex : perte d un nucléotide ) HB A nucléique 444 bases Séquence de référence. HB S nucléique 444 bases 1 base différente (0,2 % de différence) Protéine Taille de la protéine d hémoglobine (nombre d acides aminés) Différences dans la séquence des protéines HB A protéique 147 acides aminés Séquence de référence. HB S protéique 147 acides aminés 1 acide aminé différent (0,7 % de différence) 16

17 2) Mettre en relation l ensemble des informations des deux tableaux pour mettre en évidence la nature du message contenu dans l ADN. Le message contenu dans l ADN est lié à la séquence nucléotidique. Une modification de la séquence nucléotidique peut entraîner une modification du message et donc conduire à la synthèse d une molécule différente. 3) A partir des exemples étudiés, indiquer si une modification au niveau des protéines est toujours associée à une modification de la séquence des nucléotides. Oui, une modification au niveau des protéines est toujours associée à une modification de la séquence des nucléotides. Bilan : La séquence nucléotidique d un gène peut varier : un même gène peut donc exister sous différentes versions appelées allèles. L existence des allèles explique la diversité génétique observée entre individus d une même espèce (couleur des yeux, groupes sanguins). Les séquences nucléotidiques de 2 allèles d un gène se ressemblent mais présentent quelques différences : ils contiennent 2 infos différentes qui permettent la fabrication de 2 protéines différentes. Les allèles ont pour origine des mutations qui modifient la séquence de l ADN Mutation = changement au niveau de la séquence d ADN. IV] Causes et conséquences des modifications de la séquence de l ADN 1) Les facteurs pouvant entraîner une modification de l ADN Comment expliquer l apparition de mutations dans l ADN? TP : Suivre une démarche expérimentale afin de réaliser des mutations provoquées chez les levures. DEMARCHE EXPERIMENTALE : On cherche à savoir quelle est l influence de l environnement sur la fréquence des mutations. On réalise pour cela une démarche expérimentale. 1) Observation (voir aussi document du livre p 214) On observe deux types de levures : des colonies blanches et des colonies rouges qui correspondent aux levures Ade2. Une levure ade2 est de couleur rouge suite à une interruption de la chaîne de synthèse de l adénine. Cette modification a pour conséquence qu une substance qui se transforme en un pigment rouge s'accumule dans les cellules. Comparaison des séquences du gène Ade2 : Plusieurs gènes interviennent dans la synthèse d adénine. Tous ont des séquences identiques dans les levures «blanches» ou «rouges», sauf un nommé Ade 2. Le gène Ade2 est situé sur le chromosome 15. Il comporte dans les deux cas 1674 nucléotides. 17

18 a) Comparer les deux séquences, indiquer la ou les différence(s) observée(s). Il y a un nucléotide différent : T à la place de G Mise en culture de levures rouges : Deux boîtes de Pétri contenant la levure Ade 2 (rouge) et placées dans des conditions optimales de croissance, se développent l une à la lumière et l autre à l obscurité. Eclairement Résultats au bout de quelques jours Levures Ade 2 Lumière nombreuses colonies blanches parmi les colonies rouges Levures Ade 2 Obscurité rares colonies blanches parmi les colonies rouges b) Quel semble être le facteur favorisant l apparition de colonies blanches? La lumière. Les UV contenus dans la lumière peuvent être à l origine de cancers chez l homme. 2) Problème (question) Quel est le problème biologique qu on peut alors se poser? Est-ce que la lumière (et plus particulièrement les UV) est responsable de la transformation des levures rouges en levures blanches. 3) Hypothèse En faisant référence à l observation réalisée sur des cultures de levures Ade2, proposer une hypothèse répondant au problème posé. Les UV pourraient provoquer des modifications dans l ADN. 4) Conséquences prévisibles Formuler les conséquences prévisibles. Si les UV provoquent des modifications dans l ADN, alors lorsqu on expose les levures rouges à la lumière : il y a apparition de levures blanches il y a moins de levures présentes (effet létal des mutations) 5) Expérimentation a) Compléter au préalable le tableau ci-dessous : Quel est le fait qu on cherche à vérifier lors de Si les UV provoquent des modifications dans l ADN cette expérience? Quel sera le facteur variable? La durée d exposition aux UV Quelles sont les conditions stables de La composition du milieu, la température 18

19 l expérience? Que va-t-on mesurer à la fin de l expérience? Quelle sera l expérience témoin? Le nombre de colonies de levures présentes et le nombre de levures blanches Des levures qui n ont pas été exposées aux UV b) Protocole à suivre scrupuleusement : voir fiche technique «Irradiation des levures aux UV» 6) Résultats (semaine suivante) Au bout d une semaine de culture : compter les différentes colonies et compléter le tableau cidessous. Temps d exposition aux UV Nombre total de colonies Nombre de colonies blanches % de colonies blanches 0 min % 30 sec ,92 % 1 min ,58 % 1 min. 30 sec ,33 % a) Interprétation des résultats : comparer et expliquer les résultats des 4 secteurs. On constate que plus la durée d exposition aux UV est longue : plus le pourcentage de colonies blanches est important moins le nombre total de colonies est élevé. On peut en conclure que les UV modifient l ADN, car ils permettent la modification des levures rouges en levures blanches suite à un changement de la séquence nucléotidique des levures rouges. Certaines de ces modifications de l ADN modifient trop fortement le métabolisme des levures entraînant la mort de celles-ci. Les mutations de l ADN provoquées par les UV sont réalisées au hasard. b) Tracer le graphique représentant le % de colonies blanches en fonction de la durée d exposition aux UV. Analyser le graphique. 19

20 On constate que plus l exposition aux UV est longue, plus le pourcentage de colonies blanches augmente de manière plus ou moins exponentiel. Par conséquent plus les mutations au niveau de l ADN sont nombreuses. 7) Confrontation des résultats avec les conséquences prévisibles (semaine suivante) Votre hypothèse est elle confirmée ou infirmée? L hypothèse de départ est confirmée, les UV peuvent provoquer des modifications dans l ADN. 8) Conclusion (semaine suivante) Formuler une conclusion. Les rayons ultraviolets provoquent des mutations de l ADN, c est-à-dire des changements au niveau de la séquence d ADN. L effet mutagène des UV se manifeste par des changements de la séquence nucléotidique et donc par l apparition de nouveaux caractères ou d une mortalité plus élevée.. 9) S informer sur d autres agents mutagènes : a) Analyser le graphique. b) Classer les agents mutagènes en 3 catégories. 20

21 a) Les habitants de la région de Gomel ont été plus exposés aux irradiations de Tchernobyl car ils sont plus proches de cette zone que les habitants de Briansk. On constate que le nombre de cancer de la thyroïde des habitants de la région de Gomel a été multiplié par 10 depuis la date de l accident de Tchernobyl. Alors que pour la région de Briansk il a été multiplié par 2. L exposition aux radiations semble donc être à l origine de cancers. Les radiations provoquent des modifications de l ADN entraînant des cancers. b) Agents chimiques : suie, amiante, vapeurs de diesel, tabagisme, teinture pour cheveux. Radiations : UV, rayons X Virus : papillomavirus, virus de l hépatite B Bilan : Les mutations sont à l origine de la variabilité de l ADN. Les mutations peuvent survenir naturellement, mais c'est assez rare (peu fréquent). Certains facteurs peuvent favoriser leur apparition (=augmenter la fréquence des mutations). Ces facteurs mutagènes sont : - des radiations : les UV (émis par le soleil) - des substances chimiques - certains virus : papillomavirus (favorise le cancer du col de l utérus). L effet mutagène se manifeste par des changements de la séquence nucléotidique et entraîne une variabilité de l ADN. 2) Des mutations aux conséquences différentes Les mutations permettent la création de nouveaux allèles d un gène. Un organisme pluricellulaire possède des cellules sexuelles (cellules germinales) et des cellules somatiques (les autres cellules). 21

22 Quelles sont les conséquences de ces mutations de l ADN sur les cellules d un organisme pluricellulaire. a) Conséquences de mutations des cellules somatiques pour un organisme Activité 6 : Montrer que les cancers sont dus à des modifications de l ADN, d après l étude des documents p.216/217. Cellule somatique : toutes les cellules de l organisme sauf les cellules sexuelles 1) D après le doc.14, indiquer ce qui différencie une cellule cancéreuse d une cellule normale. Les cellules cancéreuses peuvent se diviser un nombre de fois illimité. 2) D après le doc.15, expliquer l origine de cette différence. Chez la moitié des personnes victimes d un cancer, les cellules cancéreuses contiennent un allèle muté du gène p53 responsable de la synthèse d une molécule intervenant dans le contrôle de la division cellulaire. Mutation avec remplacement du nucléotide 747 g par un T. 3) D après le doc.16a, indiquer quel facteur augmente les risques de cancer de la peau. Justifier. Les expositions prolongées aux UV, car le risque de développer un cancer augmente avec le nombre d heure cumulées d exposition aux UV. 4) D après le doc 16b, une unique mutation de l ADN peut elle être sans conséquence sur les caractéristiques de la cellule? La cellule possède des systèmes de réparation de l ADN qui réparent au fur et à mesure les lésions de l ADN. Ainsi une unique mutation peut être sans conséquence car elle peut être réparée. De plus tout l ADN n est pas codant, c est-à-dire tout l ADN n est pas traduit en protéines. 5) Préciser si les mutations des cellules somatiques sont héréditaires. Justifier la réponse. Les mutations de l ADN des cellules somatiques ne sont pas héréditaires, car les cellules somatiques ne participent pas à la reproduction sexuée, donc ces mutations n affectent pas le patrimoine génétique transmis à la descendance. Bilan : Des modifications de l ADN ou mutations peuvent provoquer des maladies : cancers, drépanocytose, mais aussi : des malformations (drosophiles), des changements dans le métabolisme des cellules (levures) Néanmoins les mutations génétiques peuvent n avoir aucune conséquence sur la cellule porteuse de la mutation. b) Conséquences des mutations pour la descendance Activité 7 : La transmission de l hémophilie dans la famille royale d Angleterre L'hémophilie est une maladie qui empêche ou réduit la coagulation du sang : en cas de blessure, une personne hémophile saignera pendant plusieurs heures et on aura beaucoup de mal à arrêter le sang de couler. Un hémophile doit faire extrêmement attention, le moindre choc risque de provoquer des hémorragies internes. L'hémophilie est une maladie génétique récessive due à des mutations du gène F8 porté par le chromosome X et codant pour un facteur de coagulation du sang. 22

23 La généalogie de la reine Victoria du Royaume-Uni est connue pour porter en elle l'hémophilie. Léopold, un de ses quatre fils, naît hémophile et décédera à l'âge de 31 ans d'hémorragie cérébrale. Deux des cinq filles de la reine Victoria, Alice et Béatrice, sont porteuses et transmettent ce qui finira par être appelé la «maladie royale» dans les familles royales de l Europe et de la Russie. Le descendant le plus célèbre atteint d'hémophilie est Alexis, fils du dernier tsar russe Nicolas II. 1) Formuler une hypothèse pour expliquer que la mutation soit transmissible. L hémophilie est une maladie génétique héréditaire. Elle est donc transmise à la descendance. La mutation serait donc présente dans les cellules reproductrices des individus. 2) Proposer une définition de «maladie héréditaire». En indiquer les conséquences pour le descendant atteint. C est une maladie qui se transmet à la descendance. Le descendant atteint à une possibilité de transmettre la maladie dont il est atteint à ses enfants. 3) Comment expliquer que la Reine Victoria soit porteuse de la maladie alors que ses parents ne l étaient pas. L information génétique contenue dans l une des cellules reproductrices qui ont participées à la formation de l embryon (Victoria) a muté. La mutation est alors présente dans toutes les cellules de Victoria car toute les cellules d un organisme proviennent de la cellule-œuf. 4) Comment expliquer que parmi les frères et sœurs issus de mêmes parents, seuls certains individus soient atteints. 23

24 Les enfants issus d un couple où la mère est porteuse ont une chance sur deux de ne pas avoir la maladie. Les enfants issus d un couple dont le père est hémophile : Seront toujours porteurs sains de la maladie si ce sont des filles, Ne seront jamais porteurs de la maladie si ce sont des garçons. Bilan : Chez un organisme pluricellulaire, si une mutation survient dans les cellules germinales (sexuelles), elle n a en général aucune conséquence sur l organisme. En revanche, elle sera transmise à la descendance au cours de la reproduction sexuée. Elle sera alors présente dans toutes les cellules du descendant. Ces mutations sont parfois la cause de maladies génétiques ; elles ont surtout pour conséquence la diversité génétique des individus. Mais une mutation des cellules somatiques n'aura pas de conséquence sur la descendance. Dans un organisme unicellulaire, si une mutation survient dans l'adn d'une cellule, celle-ci la transmettra à ses cellules-filles lors de sa division. Exemple : levures roses/ blanches Conclusion : La diversité des individus est liée à la présence d allèles. Les mutations modifient la séquence de l ADN. Les conséquences des mutations sont variables et dépendent du type cellulaire où elles se produisent (cellule somatique ou cellule germinale) 24