Lycée Saint Joseph Izmir. La transmission de l'information génétique. Introduction...p.2. I. La structure des chromosomes...p.3

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1 Lycée Saint Joseph Izmir La transmission de l'information génétique Table des matières Introduction...p.2 I. La structure des chromosomes...p.3 I.1 Chromosomes et ADN...p.3 I.2 La structure en «collier de perles»...p.4 II. Un caryotype pour chaque espèce...p.5 II.1 Qu'est-ce qu'un caryotype?...p.5 II.2 Différents exemples de caryotypes...p.7 III. Les différentes étapes de la division cellulaire...p.8 III.1 La mitose...p.8 III.2 L'interphase...p.11 III.3 La réplication de l'adn...p.12 IV. La formation des cellules sexuelles = la méiose...p.14 IV.1 IV.2 IV.3 IV.4 Les cellules sexuelles...p.14 Les différentes étapes de la méiose...p.15 Évolution de la quantité d'adn au cours de la méiose...p.16 Le brassage de l'information génétique...p.18 V. La reproduction des organismes...p.20 V.1 La reproduction asexuée...p.20 a) Généralités...20 b) La scissiparité ou la division binaire...20 c)la fragmentation et le bourgeonnement...22 d) La parthénogénèse...23 V.2 La reproduction sexuée (généralités)...p.24 a) Généralités...24 b) La reproduction et l'adaptation...24 c) Les organes sexuels ou les gonades...24 d) Les cellules reproductrices...25 e) Les caractères sexuels...25 f) Les modalités de la reproduction sexuée...26 Divisions cellulaires - p.1

2 Cours de biologie Introduction L 'ADN est le support de l'information génétique dans chaque être vivant. Toutes les cellules d'un même organisme vivant sont identiques. Elles possèdent la même information génétique qui les caractérise. Un problème se pose alors. Comment une cellule peut-elle se diviser en 2 cellules identiques génétiquement? Comment se passe la transmission de l'information génétique au cours de cette division? Une cellule en division se repère facilement au microscope car il y a la présence de chromosomes. Cette structure caractérise la division cellulaire, c'est à dire la mitose (du grec mitosis qui signifie «filament») Quelle est la relation entre la molécule d'adn et ces chromosomes? Les cellules qui ne sont pas en division ne montrent pas la présence de chromosomes. Elles possèdent un noyau qui contient de la chromatine. Cette structure n'est visible qu'en interphase (phase entre 2 mitoses) Les colorants qui montrent la présence des chromosomes permettent aussi de colorer de la même façon la chromatine. Quelle relation y a-t-il entre cette chromatine et les chromosomes? p.2 - Divisions cellulaires

3 Lycée Saint Joseph Izmir I. La structure des chromosomes I.1 Chromosomes et ADN Sur cette photographie, prise en métaphase de mitose, tous les chromosomes de la cellule sont visibles et bien individualisés (séparés les uns des autres) Cela permet alors de les compter et de donner leur description. Quelle est la structure de ces chromosomes? Structure : 1 : 2 : 3 : 4 : Les 2 chromatides d'un même chromosome sont identiques l'une de l'autre, elles portent la même information génétique. Ces 2 chromatides sont reliées par le centromère. La chromatine et les chromosomes sont liés dans leur structure qui correspond a la molécule d'adn sous 2 formes différentes (une forme condensée et une forme décondensée) Divisions cellulaires - p.3

4 Cours de biologie I.2 La structure en «collier de perles» La molécule d'adn s'enroule autour de protéines Histones. Ces histones s'enroulent eux-mêmes les uns sur les autres. Ils forment alors le filament du chromosome qui devient alors un chromatide. Chaque chromatide correspond à la même molécule d'adn. Comparez les différentes tailles de la molécule d'adn sous la forme de chromatine et sous la forme de chromatides. Que signifie le terme : structure en «collier de perles»? p.4 - Divisions cellulaires

5 Lycée Saint Joseph Izmir II. Un caryotype pour chaque espèce II.1 Qu'est-ce qu'un caryotype? Un caryotype est la carte d'identité des cellules d'un individu. Tous les chromosomes de la cellule sont représentés, classés par groupe de 2 en fonction de leurs tailles, de leurs formes, de leurs gènes. Le caryotype d'une même espèce possède un même nombre de chromosomes, des gènes identiques. Caryotype humain Sur cette image en couleur, observez les gènes de chaque chromosomes homologues. Ce caryotype correspond-il à un homme ou une femme? Divisions cellulaires - p.5

6 Cours de biologie Comparaison entre un caryotype humain d'homme et de femme Sur ce schéma, 3 chromosomes sont représentés avec leurs gènes et leurs localisations. Les chromosomes homologues des chromosomes 1, 12, 21 portent eux-aussi les mêmes gènes. p.6 - Divisions cellulaires

7 Lycée Saint Joseph Izmir II.2 Différents exemples de caryotypes Combien de chromosomes y a-t-il dans une cellule de grenouille? Combien de paires de chromosomes y a-t-il dans une cellule de grenouille? Combien de chromosomes y a-t-il dans une cellule sexuelle de grenouille? Caryotypes de différentes espèces de primates Indiquez si les caryotypes ci-dessus appartiennent à des mâles ou des femelles. Notez sur chaque caryotype le nombre de chromosomes (2n=...) de chaque espèce. L'Homme et le Chimpanzé possèdent un caryotype qui se ressemblent à plus de 99%. Observez les différents chromosomes de ces 2 caryotypes. Observez la paire n 2 du caryotype de chimpanzé. Divisions cellulaires - p.7

8 Cours de biologie III. Les différentes étapes de la division cellulaire III.1 La mitose À l'interphase, la cellule se prépare à la division cellulaire. Cette phase est la plus importante de la vie cellulaire. Elle peut durer des années. La prophase est une phase qui peut durer de 15 à 60 minutes. Elle se caractérise par la condensation de la chromatine en chromosomes, la disparition de l'enveloppe nucléaire et l'apparition de fibres entre les 2 pôles cellulaires. La métaphase ne dure que quelques minutes. Elle se caractérise par le regroupement des centromères au niveau de la plaque équatoriale. Les centromères se fixent aux fibres de la cellule. Pendant cette phase, il est possible d'observer tous les chromosomes distinctement, en vue polaire, ce qui permet de fabriquer alors le caryotype de la cellule. L'anaphase est une phase très courte (2 à 3 minutes) Chaque centromère se divise en deux. Les fibres apportent alors chaque groupe de chromatides vers les pôles cellulaires. Cette séparation permet d'obtenir 2 lots de chromosomes à 1 chromatide complètement identiques (car les 2 chromatides étaient au départ composées de la même molécule d'adn) La télophase dure de 15 à 60 minutes. Elle se caractérise par la formation d'un noyau, par la transformation des chromosomes en chromatine, par la disparition des fibres, par la division du cytoplasme, par la formation d'une nouvelle membrane plasmique = c'est la cytokinèse. p.8 - Divisions cellulaires

9 Lycée Saint Joseph Izmir Représentation des différentes phases de la mitose Divisions cellulaires - p.9

10 Cours de biologie Photographies de différentes étapes de la mitose prises avec l'aide de l'immunofluorescence p.10 - Divisions cellulaires

11 Lycée Saint Joseph Izmir III.2 L'interphase C'est une phase qui est importante dans la vie de la cellule. Sur un cycle cellulaire complet de 20 heures, la mitose peut durer environ 1 heure et l'interphase 19 heures. Elle se caractérise par 3 phases importantes : la phase G1 = 1ère phase de croissance (Growth) Les cellules nouvellement formées par la mitose sont petites. Elles vont alors subir une étape de croissance pour avoir leurs tailles finales. Elles vont aussi lors de cette étape travailler et effectuer les différentes fonctions pour lesquelles elles sont programmées. la phase S = la phase de réplication (Synthesis) Pendant cette phase, le matériel génétique (l'adn) est doublé par la réplication. Cette phase est importante. Elle permettra à la cellule de se diviser à nouveau. Après cette phase, la cellule contient deux fois la même information génétique. la phase G2 = 2ème phase de croissance Cette phase est la phase qui précède l'entrée en mitose. La cellule prend du volume au maximum pour se préparer à une nouvelle division. Évolution de la quantité d'adn au cours d'un cycle cellulaire Annotez le graphique ci-dessus. Divisions cellulaires - p.11

12 Cours de biologie Combien de chromosomes y a-t-il dans cette cellule en division au cours de ce cycle? Dessinez l'aspect des chromosomes au cours de ce cycle (à 1 ou 2 chromatides) III.3 La réplication de l'adn p.12 - Divisions cellulaires

13 Lycée Saint Joseph Izmir Les différentes étapes de la réplication qui se déroule dans le noyau de la cellule. 1. L'ADN polymérase est une enzyme capable de répliquer (doubler) la molécule d'adn. Elle se fixe sur les 2 brins de la molécule. 2. Elle casse les liaisons hydrogènes qui existent entre les bases azotées (C/G et A/T) La molécule d'adn s'ouvre. 3. L'enzyme est capable ainsi de lire l'information génétique de la molécule. Elle place de nouveaux nucléotides (libres dans le noyau) sur les 2 brins en fonction du code génétique. 4. L'enzyme utilise donc les 2 brins d'adn comme modèle pour fabriquer 2 nouveaux brins. 5. Sur chaque molécule d'adn, nouvellement fabriquée, un brin est un brin d'origine (brin ancien) et l'autre un nouveau brin. 6. C'est pourquoi, on dit que la réplication est semi-conservative. Elle permet de conserver (garder) une moitié de l'original de la molécule d'adn. Les flèches blanches montrent des yeux de réplication Divisions cellulaires - p.13

14 Cours de biologie IV. La formation des cellules sexuelles = la méiose IV.1 Les cellules sexuelles Les cellules sexuelles sont appelées les gamètes. Les gamètes mâles sont les spermatozoïdes et les gamètes femelles sont les ovules (ou ovocytes) Observez les caryotypes de différents gamètes humains. Combien de chromosomes pouvez-vous observer dans une cellule sexuelle humaine? Quelle est la différence entre les 2 caryotypes de spermatozoïdes ci-dessous? Expliquez comment ces 2 caryotypes sont-ils possibles? Dans une cellule non-sexuelle (cellule somatique), il y a 46 chromosomes, regroupés en 23 paires : 22 paires de chromosomes homologues (les autosomes) 1 paire de chromosomes sexuels (les gonosomes) = XY pour les ou XX pour les Que sont les chromosomes homologues? Les chromosomes homologues sont 2 chromosomes qui se ressemblent beaucoup (même forme, même taille) qui portent les mêmes gènes mais des informations génétiques différentes (les allèles sont différents) L'un est d'origine maternelle et l'autre paternelle. Les cellules diploïdes / les cellules haploïdes? Les cellules diploïdes sont des cellules qui portent 2n chromosomes (46 chez l'homme) Ce sont les cellules somatiques. Les cellules haploïdes sont des cellules qui portent n chromosomes (23 chez l'homme) Ce sont les cellules sexuelles. p.14 - Divisions cellulaires

15 Lycée Saint Joseph Izmir IV.2 Les différentes étapes de la méiose Il y a 2 étapes importantes dans la méiose : une première division = la division réductionnelle. Cette division divise en 2 l'information génétique. une deuxième division = la division équationnelle. Cette division correspond à une mitose à partir de 23 chromosomes à 2 chromatides. 1. Prophase 1 : les chromosomes homologues se rapprochent et se fixent les uns aux autres. Ils forment alors des paires de chromosomes (des tétrades de chromatides) C'est pendant cette phase que le crossing-over est possible. 2. Métaphase 1 : Les chromosomes homologues se placent sur la plaque équatoriale. 3. Anaphase 1 : Les 2 chromosomes homologues de chaque paire se séparent et se dirigent chacun vers un pôle cellulaire. Les 2 nouvelles cellules reçoivent alors seulement la moitié de l'information génétique mais gardent les mêmes gènes. 4. Télophase 1 ou Prophase 2 : Cette phase est courte. Elle prépare à la 2nde division. Divisions cellulaires - p.15

16 Cours de biologie 5. Métaphase 2 : Les 23 chromosomes à 2 chromatides se placent sur la plaque équatoriale. 6. Anaphase 2 : Les chromatides se séparent et se dirigent vers les pôles cellulaires. 7. Télophase 2 : 4 cellules sont alors formées. Elles sont haploïdes (n chromosomes et n chromatines) Télophase 1 Télophase 2 IV.3 Évolution de la quantité d'adn au cours de la méiose Annotez le graphique ci-dessous : p.16 - Divisions cellulaires

17 Lycée Saint Joseph Izmir Variation de la quantité d'adn au cours de la méiose Comparaison entre la mitose et la méiose Divisions cellulaires - p.17

18 Cours de biologie IV.4 Le brassage de l'information génétique A chaque méiose, les cellules sexuelles obtenues sont différentes les unes des autres. Il y a un brassage de l'information génétique (un mélange de l'information génétique) Il existe le brassage interchromosomique et le brassage intrachromosomique. 1. Le brassage interchromosomique Il y a une répartition différente des chromosomes dans les gamètes à chaque division cellulaire. Prenons une cellule à 4 chromosomes (2 paires de chromosomes homologues) Ces chromosomes portent chacun un gène (gène 1 et gène 2) Le gène 1 peut porter 2 informations : l'allèle (A) ou l'allèle (a) Le gène 2 peut porter 2 informations : l'allèle (B) ou l'allèle (b) Sur les 2 chromatides d'un même chromosome, il y aura toujours la même informations génétiques (car c'est 2 fois la même molécule d'adn) 2 chromosomes homologues portent toujours les mêmes gènes (avec l'information (A) et/ou (a) pour le gène 1 par exemple) Lors de la méiose, les chromosomes homologues se séparent donc les 2 informations d'un même gène se séparent Lors d'une autre méiose, la répartition de chaque chromosome peut être différente. p.18 - Divisions cellulaires

19 Lycée Saint Joseph Izmir 2. Le crossing-over Lors de la prophase I de la méiose, les chromosomes homologues se fixent entre eux pour former une tétrade. Pendant cette phase, parfois, il peut y avoir un crossing-over entre 2 chromosomes homologues. Les 2 chromatides de 2 chromosomes homologues peuvent échanger une partie de leur information génétique. Les gènes restent identiques, seulement l'information change. Écrivez les différentes informations portés au départ par les chromosomes homologues et les informations possibles obtenues à la fin de la méiose. Ce crossing-over augmente la possibilité d'avoir des informations génétiques différentes à chaque méiose donc le brassage génétique est plus important. 2 gènes proches l'un de l'autre ont plus de chance de rester ensemble après un crossing-over. Exemple : le gène 2 (avec les allèles Y,y) et le gène 3 (Z,z) 2 gènes éloignés l'un de l'autre ont plus de chance d'être séparés après un crossingover. Exemple : le gène 1 (X,x) et le gène 3 (Z,z) En étudiant les différents crossing-over, on peut localiser les gènes les uns par rapport aux autres. Divisions cellulaires - p.19

20 Cours de biologie V. La reproduction des organismes L'une des caractéristiques des êtres vivants est de pourvoir se reproduire, c'est à dire de former de nouveaux organismes à partir de cellules plus anciennes. Il existe plusieurs mode de reproductions, la reproduction asexuée et la reproduction sexuée. Quelles sont les caractéristiques de ces 2 types de reproductions, quelles sont leurs différences? Quels organismes utilisent la reproduction asexuée et les organismes utilisant la reproduction sexuée? Quelle est l'efficacité de chacune de ces reproductions? Quels sont les points faibles de chacune d'elles? V.1 La reproduction asexuée a) Généralités La reproduction asexuée est la formation d'individus nouveau sans avoir besoin d'un individu mâle et femelle. Les individus formés sont tous génétiquement identiques à l'individu mère. Tous ces individus nouvellement formés s'appellent des clones. Cette technique a un grand avantage. La reproduction est très rapide, on obtient de nombreux organismes nouveaux en peu de temps. Mais il y a tout de même un problème d'adaptation à l'environnement car tous les individus sont génétiquement identiques ce qui ne favorise pas l'évolution et l'adaptation au milieu de vie. Il existe plusieurs techniques de reproduction asexuée. b) La scissiparité ou la division binaire L'organisme forme de nouveaux individus en «se coupant» en 2 ou plusieurs parties de tailles égales. Exemple 1 : les bactéries Les bactéries sont des organismes asexués, la reproduction se fait par division cellulaire. Une cellule (la cellule mère) va donner naissance à 2 cellules identiques (cellules filles) Ces 2 cellules deviennent elles-mêmes des cellules mères capables de se diviser... Division d'un bactérie par scissiparité Dans de bonnes conditions, cette division cellulaire a une durée d'environ 20 minutes. En 48 heures, une seule bactérie peut donner naissance à plusieurs milliards de nouvelles bactéries. Toutes les 20 minutes, la population de bactéries (la colonie) double dans un milieu favorable. p.20 - Divisions cellulaires

21 Lycée Saint Joseph Izmir Le mode de croissance de la colonie est exponentiel. La figure montre la courbe de croissance d'une culture de bactéries en milieu non renouvelé. Les différentes phases N Phase de croissance exponentielle : les bactéries se reproduisent par scissiparité. Phase de déclin : le nombre de bactéries diminue à cause de la compétition entre elles, devenues trop nombreuses pour cet environnement. Phase de latence : les bactéries s'habituent à leur nouveau milieu et produisent leurs premières enzymes. Phase stationnaire : Arrêt de la reproduction, les bactéries vivent sur leur réserve. Exemple 2 : Les protistes comme les paramécies Division cellulaire d'une paramécie Remarque : La division cellulaire ne permet pas de changer l'information génétique car les nouveaux individus sont tous identiques. Mais il existe tout de même un moyen de s'échanger de l'information génétique chez les bactéries ou chez les paramécies. Cela s'appelle la CONJUGAISON. Dans une bactérie, il y a 2 molécules d'adn. La grande molécule est l'adn principal qui permet la vie de la cellule. La seconde molécule est le plasmide. C'est un ADN qui n'est pas vital mais qui permet à la bactérie de mieux s'adapter à son environnement. Il peut avoir un échange de plasmide entre 2 cellules. Une des cellules (la bactérie donneuse) fabrique un pont cytoplasmique qui permet le passage d'une copie du plasmide. Cette copie est transférée à la bactérie receveuse. La bactérie receveuse peut alors utiliser cette copie de plasmide, elle pourra alors elle aussi s'adapter plus facilement à son environnement. Divisions cellulaires - p.21

22 Cours de biologie c) La fragmentation et le bourgeonnement Pour la fragmentation, le corps de l'individu se divise en plusieurs morceaux qui donneront chacun un adulte complet. La formation des organes de chaque nouveaux individus se fait par la méthode de régénération. Exemple de fragmentation : les vers parasites (comme le ténia) Exemple de bourgeonnement : Le bourgeonnement est la formation d'un nouvel individu à partir du premier. La formation se fait directement sur l'organisme mère. Il finit ensuite généralement par se détacher pour continuer sa croissance seule. Le bourgeonnement existe chez les animaux comme les éponges, les coraux... et chez beaucoup de végétaux. Les éponges Les coraux Les végétaux p.22 - Divisions cellulaires

23 Lycée Saint Joseph Izmir d) La parthénogénèse La cellule sexuelle femelle non fécondée permet de fabriquer un nouvel individu. C'est une reproduction monoparentale. Cette reproduction se retrouve dans certaines conditions, comme le fait d'avoir trop peu de mâle dans l'environnement. Elle permet d'avoir un grand nombre d'individus sans la présence d'un mâle apportant ses cellules sexuelles. Cette reproduction est courante chez les abeilles, chez certains lézards, chez les fourmis... Exemple : un lézard d'amérique du Sud : Les femelles produisent des cellules sexuelles qui sont capables de donner naissance à des individus femelles sans fécondation. Cet évènement est très rare chez les vertébrés et entraîne la fragilité de la population (plus difficile de s'adapter à des changements environnementaux) Exemple : les fourmis Il existe plusieurs types d'individus dans une même colonie : les ouvrières (stériles) les princesses les princes la reine (la reproductrice) Les princes et les princesses sont les seules fourmis possédant des ailes. Lors de la période de reproduction, les princes et les princesses s'envolent pour se reproduire. Le prince féconde une princesse et meurt tout de suite après. La femelle se trouve un endroit où elle pourra former une nouvelle fourmilière et la nouvelle colonie. Avec la réserve de cellules reproductrices mâles, la princesse est capable de former de nouveaux individus, elle devient alors la reine de la colonie. La reine peut pondre des œufs fécondés (pour obtenir des mâles) ou non (pour obtenir des ouvrières) Reine Soldat Reine Ouvrières Divisions cellulaires - p.23

24 Cours de biologie V.2 La reproduction sexuée (généralités) a) Généralités La reproduction sexuée est la naissance d'un ou plusieurs individus après la rencontre de 2 cellules sexuelles (une cellule mâle et une cellule femelle) La rencontre entre ces 2 cellules s'appelle la FECONDATION. Elle ne peut se faire que si les 2 cellules ont le même nombre de gènes, c'est à dire des cellules sexuelles d'individus de même espèce. b) La reproduction et l'adaptation La reproduction sexuée permet un mélange de gènes et donc de créer un individu complètement différent de ces parents. Cela facilite l'adaptation et l'évolution des êtres vivants dans leur milieu. Pour la reproduction asexuée, le nombre d'individus augmente très rapidement mais les individus sont tous identiques donc l'adaptation à un changement environnemental est très faible. Dans la reproduction sexuée, le nombre d'individus augmente beaucoup plus lentement mais cela permet de coloniser des milieux très différents et de s'adapter beaucoup plus facilement à des changements du milieu. c) Les organes sexuels ou les gonades Il y a 2 types de gonades (organes reproducteurs) : les gonades mâles et les gonades femelles. Dans la reproduction sexuée, Il y a des individus mâles qui possèdent des organes sexuels mâles produisant des cellules sexuelles mâles. Il y des individus femelles qui possèdent des organes sexuels femelles produisant des cellules sexuelles femelles. Plus rarement, il peut exister des organismes hermaphrodites qui possèdent les 2 organes sexuels et donc peuvent fabriquer des cellules mâles et femelles (comme les escargots, les moules, les vers de terre...) p.24 - Divisions cellulaires

25 Lycée Saint Joseph Izmir d) Les cellules reproductrices Les cellules sexuelles sont appelées les gamètes. Il y a deux types de gamètes, les gamètes mâles (les spermatozoïdes) et les gamètes femelles (les ovules) Les cellules sont très différentes : les spermatozoïdes sont petits et mobiles, ils sont capables de se diriger vers les gamètes femelles en nageant dans un liquide (de l'eau ou des liquides de l'organisme) les ovules sont de grosses cellules, beaucoup moins mobiles, et contenant des réserves pour le futur embryon e) Les caractères sexuels les comportements sexuels (voir cours sur l'éthologie) les périodes d'accouplement les parades amoureuses... les différences entre les organismes mâles et femelles Les jeunes organismes et les organismes adultes reproducteurs Le développement des organes sexuels Le changement de caractères Le coq et la poule Le mâle et la femelle Colvert L'être humain Divisions cellulaires - p.25

26 Cours de biologie f) Les modalités de la reproduction sexuée - la fécondation La fécondation est la rencontre entre le gamète mâle et le gamète femelle. Cette rencontre est plus ou moins difficile selon les espèces. Il y a 2 types de fécondations : La fécondation externe : la rencontre entre les gamètes se fait à l'extérieur de l'organisme. Il faut alors la production de beaucoup de gamètes pour augmenter les chances de rencontre ou bien les organismes, mâle et femelle, trouvent une technique (parade amoureuse) pour augmenter les chances de fécondation en approchant au maximum les 2 gamètes. Exemple : les crapauds Le mâle se fixe sur le dos de la femelle jusqu'à ce que celle-ci rejette ces ovules. Après cela, le mâle rejette à son tour ces spermatozoïdes sur les ovules de la femelle. Exemple : la parade sexuelle de l'épinoche (poissons) L'accouplement p.26 - Divisions cellulaires