Chapitre 3: L ADN, support de l information génétique

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1 Un organisme unicellulaire ou pluricellulaire est capable de se procurer ses besoins (alimentaires, gazeux) dans l environnement afin de se développer (croissance) et de se reproduire. Toutes ces instructions se trouvent dans les cellules : c est le programme génétique. Quel est le support de ce programme? Quelle est sa nature? Chapitre 3: L ADN, support de l information génétique Rappels des années précédentes : DM, exercice 1 : expériences sur l acétabulaire. Les acétabulaires sont des organismes unicellulaires un peu particuliers. En effet, chaque algue est une cellule géante (4 à 6cm de haut!) en trois parties : la tête (ou «chapeau»), la tige et la base où est localisé le noyau. On connaît plusieurs espèces d acétabulaires : Acetabularia mediterranea a un chapeau lisse et Acetabularia crenulata a un chapeau à bords dentelés. 1/ Décrire le principe et les résultats de la première expérience. 2/ Expliquer ce que l on cherche à savoir en effectuant la deuxième expérience. 3/ En analysant les résultats des expériences, montrer que l activité cellulaire est sous le contrôle du programme génétique qui est localisé dans le noyau. 1/ Exp. 1 : Lorsqu on coupe la «tête» des acétabulaires, elle se régénère au bout de quelques jours. Une «tête» ayant un chapeau lisse redonne un chapeau lisse, et une «tête» à chapeau à bords dentelés redonne un chapeau à bords dentelés. On en déduit qu il existe, dans la «tige» et/ou le «pied» (qui contient le noyau), toutes les informations nécessaires pour reformer la «tête». 2/ Exp. 2 : On cherche à savoir si c est la «tige» ou le «pied» de l acétabulaire (qui contient le noyau) qui permet la régénération du chapeau. On effectue donc des expériences de «croisement», de greffe. 3/ Première partie de l expérience : on prend le «pied» d Acetabularia mediterranea et la «tige» d Acetabularia crenulata. On obtient la régénérescence d un chapeau lisse donc de type Acetabularia mediterranea. Deuxième partie de l expérience : on prend le «pied» d Acetabularia crenulata et la «tige» d Acetabularia mediterranea. On obtient la régénérescence d un chapeau crénelé donc de type Acetabularia crenulata. Conclusion : c est la partie «pied» qui détermine le type de chapeau que l on régénère. Or, le «pied» contient le noyau. On peut en déduire que c est le noyau qui contient l information nécessaire à la régénération. Le programme cellulaire est donc localisé dans le noyau. Il contrôle l activité cellulaire (dans cet ex., il contrôle la reformation d un chapeau). Le langage de l information génétique est-il le même pour toutes les espèces? I. Les enseignements de la transgénèse.

2 (DM, exercice 2) La transgénèse est une technique qui consiste à transférer un gène (= une instruction particulière du programme génétique). Ex. de transgénèse par micro-injection. Dans une cellule humaine, on isole le gène qui dirige la synthèse d hormone de croissance. Cette isolation est possible grâce à l utilisation d enzymes qui coupent spécifiquement l ADN. Une micro-injection permet de transférer ce gène dans une cellule-œuf de souris. Le gène peut alors s insérer dans l ADN de la cellule-œuf de souris. Cette cellule-œuf poursuivra son développement dans l utérus d une souris «mère porteuse». Information complémentaire : Chez l homme, l hormone de croissance est une molécule produite par une petite glande située à la base du cerveau : l hypophyse. Cette hormone stimule la croissance. Le gène qui code l hormone de croissance est localisé sur le chromosome 17. Souris transgénique (1) et non transgénique (2). La transgénèse est une technique qui consiste à transférer un gène, instruction particulière du programme génétique. Ce transfert de gène est souvent réalisé entre différentes espèces (ex. : souris et homme). 1/ L organisme donneur est dans ce cas l Homme, puisqu il «donne» le gène qui code pour l hormone de croissance. Ce gène est transféré à la souris : la souris est donc l organisme receveur. Les organismes transgéniques sont les souriceaux qui naissent suite à la transgénèse. 2/ Sur la photo, on voit que la souris transgénique (1) est plus grande que la souris normale (2). On peut supposer que le gène transféré, qui code pour l hormone de croissance humaine, a un effet sur la croissance de la souris. 3/ Il y a 5 types de molécules identifiées pour la souris (1) et 4 molécules identifiées pour la souris (2). 4/ Il y a une bande différente entre le résultat de l électrophorèse de la souris transgénique (1) et celui de la souris non transgénique (2). Or, cette bande correspond à celle obtenue pour le dépôt d hormone de croissance humaine. La souris transgénique possède donc l hormone de croissance humaine, contrairement à la souris non transgénique. 5/ Seul de l ADN a été transféré à la souris (1) et on voit qu elle possède l hormone de croissance humaine. L ADN a donc permis la synthèse de cette hormone, c est lui qui contient l information pour réaliser cette hormone. L expérience de transgénèse permet de mettre en évidence que l ADN est la molécule support de l information génétique. 6/ L ADN d une espèce différente (l homme) est capable de fonctionner dans une autre espèce (la souris). Cela montre qu une cellule est capable de travailler avec une information génétique qui provient d une autre espèce. On peut donc supposer que l ADN est une molécule «universelle», que toutes les espèces possèdent la même molécule support de l information génétique.

3 Malgré la puissance des microscopes modernes, les images des molécules de la matière vivante ne sont pas assez détaillées. Par contre, on parvient, en combinant différentes techniques, à fournir suffisamment d informations pour modéliser une représentation en 3D des molécules. On peut ensuite manipuler ces modèles moléculaires grâce aux fonctions d un logiciel de visualisation, comme RasTop. Quelle est l organisation de la molécule d ADN? II. L organisation de la molécule d ADN. Utilisation de Rastop + exercice 3 DM 1/ L organisation dans l espace de la molécule d ADN. Lancer RasTop et ouvrir le fichier ADN.pdb Choisir la représentation en boules et bâtonnets. Faire tourner la molécule pour mieux la visualiser. Possibilité de faire un zoom : clic gauche + touche maj. [SHIFT] enfoncée, tout en déplaçant la souris. Atomes Colorer par Chaîne. 1/ De combien de chaînes est constituée la molécule d ADN?. Rubans Type Squelette carboné 2/ Quelle est la forme en 3D de cette molécule? 2/ Les atomes constitutifs de la molécule d ADN. Editer Commande Taper restrict*b (on ne visualise plus que la chaîne B) Atomes Colorer par CPK Rubans Effacer En bas de l écran, choisir Trans/Zoom puis actionner le curseur Z pour modifier la taille de l affichage. Les curseurs X et Y permettent les déplacements horizontaux et verticaux. En cliquant sur n importe quel atome de la molécule d ADN, la lettre de la base du nucléotide sélectionné apparaît en bas de la fenêtre, à côté de Atom. Il faut lire uniquement la première lettre (ex ci-dessus : O) 3/ Quels sont les atomes présents dans la molécule d ADN?. 4/ Cette molécule est-elle d origine organique? Justifier. 3/ Les nucléotides Chaque chaîne de la molécule d ADN est constituée d une succession de mêmes unités : les nucléotides. En cliquant sur n importe quel atome de la molécule d ADN, la lettre de la base d un nucléotide apparaît dans la fenêtre RasTop, à côté de Group. (ne prendre en considération que la lettre ; dans l ex. ci-dessus : G). 5/ Combien existe-t-il de bases différentes? Lesquelles? (rédiger sous forme de liste) Editer Commande taper restrict A18B Un nucléotide est constitué par la liaison de trois éléments : un acide phosphorique (PO 4 H 3 ), un sucre (désoxyribose à 5C) et d une base azotée. 6/ Repérer ces trois éléments et compléter le document ci-dessous :

4 7/ Combien existe-t-il de différents types de nucléotides dans une molécule d ADN? Ouvrir le fichier ADN.pdb ; Editer Commande taper restrict G16B, T17B 8/ Comparer les nouveaux nucléotides sélectionnés avec le précédent : quelle est la partie qui diffère d un nucléotide à un autre?. 9/ Par quelle partie deux nucléotides successifs sont-ils liés?... 4/ L organisation des deux brins d ADN. Ouvrir le fichier ADN.pdb. Cliquer sur Sélectionner tout Choisir dans Eléments A (menu déroulant) Cliquer dans Nouvelle Sélection Cliquer sur Palette Colorer en Rouge. Répéter toutes les étapes pour colorer les C en vert, G en jaune et T en bleu. 10/ Quels sont les seuls appariements possibles entre les nucléotides?... Les nucléotides sont liés entre eux, sur une même chaîne, par des liaisons covalentes (= liaison de haute énergie, qui met en jeu des électrons) fortes, ce qui permet la formation de chaque brin (ou chaîne). Il reste à comprendre comment chaque hélice de la molécule d ADN est liée à l autre. Il existe des liaisons de faible énergie entre atomes, sans mise en commun d hydrogène, entre un atome d oxygène et un atome d hydrogène. On appelle ces liaisons des liaisons hydrogène ou liaisons H. En gardant le fichier ouvert, Editer Commande taper restrict T11A, A11B Liaisons Liaisons hydrogène Afficher. Observer les liaisons H. Ouvrir le fichier ADN.pdb. Editer Commande taper restrict G8B, C14A 11/ Quelle est la nature et le nombre de liaisons entre deux nucléotides des deux chaînes de la molécule d ADN?.. 12/ Compléter le document ci-dessous BILAN : (A faire sur feuille, noté) 13/ Représenter, sur une demi-page blanche, un schéma de l organisation des nucléotides de la molécule d ADN en imaginant que l on déroule la molécule, c est-à-dire que l on supprime les torsades. Représenter 10 nucléotides pour chaque brin. Utiliser les représentations ci-dessous : Les 4 bases azotées (colorier comme pour la question 9/ si le temps le permet) Liaison covalente forte Liaison H faible Sucre = desoxyribose Acide phosphorique (PO 4H 3) 14/ Formuler une hypothèse expliquant comment l information génétique peut être stockée dans cette molécule.

5 La molécule d ADN ne comporte que 4 «lettres» de base : 4 nucléotides suivant la base azotée portée par le sucre (désoxyribose) et l acide phosphorique : adénine, guanine, cytosine et thymine. Comment expliquer que cette molécule puisse stocker l information génétique? III. Le langage codé de l ADN. Hypothèse : De la même manière que pour l utilisation de l alphabet en français, on suppose que c est l enchaînement des nucléotides qui permet de coder l information génétique. 1/ Livre doc. 2 p56 : A l aide du document et en justifiant, valider ou non l hypothèse. 2/ Observer attentivement le début de chaque gène. Que remarque-t-on? Comment expliquer la diversité génétique présente dans chaque espèce? IV. La diversité génétique et la variabilité de l ADN. Utilisation du logiciel Anagène 1/ L apparition de mutants. Livre doc. 1 p58 1/ Définir une mutation génétique. 2/ Identifier la mutation sur le schéma ci-contre : 2/ Des variations «stables» au sein d une même espèce et leur explication génétique. 1/ A l aide du livre (doc. 2 p58), définir un allèle. 2/ Etude de cas : l origine de la variété des groupes sanguins Il existe trois allèles pour le gène qui participe à la détermination du groupe sanguin : allèle A, allèle B et allèle O. Vous allez, à l aide du logiciel Anagène, comparer les séquences de nucléotides de ces trois allèles. Ouvrir Anagène. Fichier Thèmes d étude Relation Génotype-Phénotype Phénotype groupes sanguins A, B et O OK. Les séquences nucléiques des allèles A, B et O sont affichées et peuvent être parcourues en utilisant la barre de défilement horizontal. Comparaison des séquences nucléiques : Sélectionner successivement Allèle O, Allèle B et Allèle A en cliquant sur les boutons de sélection correspondant. Cliquer sur le bouton Comparer les séquences de la barre d outils. Valider l option Alignement avec discontinuité et confirmer en cliquant sur OK La nature du traitement effectué et les séquences comparées s affichent dans la fenêtre «Comparaison avec alignement». Elles peuvent être parcourues en utilisant la barre de défilement horizontal. Les tirets indiquent l identité des bases par rapport à celles de l allèle A qui sert de référence. a/ Utiliser la barre de défilement horizontal pour rechercher les différences entre les trois séquences et le grand curseur pour préciser leur position. Compléter le tableau ci-dessous : Gène Longueur de l allèle Nature du changement Position du changement Allèle A Allèle B Allèle O b/ Pourquoi peut-on penser que ces allèles ont une origine commune? BILAN : Après avoir défini la variabilité de l ADN, expliquer en quoi cette propriété permet de comprendre la diversité génétique au sein d une même espèce.

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