Du génotype au phénotype, relation avec l environnement

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1 Du génotype au phénotype, relation avec l environnement Pré-requis (troisième et seconde) : Chaque individu présente les caractères de l'espèce avec des variations qui lui sont propres. C'est le résultat de l'expression génétique de son programme et de l'influence des conditions de vie. Chaque chromosome contient une molécule d'adn qui porte de nombreux gènes. La séquence des nucléotides au sein d'un gène constitue un message. Les mutations introduisent une variabilité de l'information génétique. Objectifs du chapitre : Première partie Deuxième partie Troisième partie Introduction Activités et supports Analyse de texte à propos de la drépanocytose { Extrait de : + observation des molécules d hémoglobine normale et drépanocytaire (Rasmol) et comparaison de leurs séquences protéiques (Anagène) Situation déclenchante 1 (1h) Constat : Le phénotype drépanocytaire (caractère apparents d un individu) peut se définir à différentes échelles : au niveau de l organisme (douleurs articulaires, anémie ), de la cellule (forme des hématies) et de la molécule (hémoglobine A et hémoglobine S). Les phénotypes variables sont dus à des différences dans les protéines concernées (le sixième élément de structure de la chaîne b de l hémoglobine.) Problème : Comment expliquer la mise en place de ces différents niveaux de phénotypes (molécule, cellule, organisme? Hypothèse 1 : Le phénotype moléculaire (protéine) est sous contrôle de l ADN. Conséquence vérifiable 1 : Les structure de l ADN et de la protéine peuvent être mises en relation. Hypothèse 2 : Le phénotype cellulaire est sous contrôle de l activité des protéines. Conséquence vérifiable 2 : Certaines protéines présentent une activité spécifique. Hypothèse 3 : Le phénotype général est la résultante de facteurs multiples. Conséquence vérifiable 3 : Plusieurs gènes, plusieurs allèles et/ou l environnement peuvent agir pour l élaboration d un seul caractère. 1. Le phénotype moléculaire : les protéines et la commande de leur réalisation Stratégies correspondant à la conséquence vérifiable 1 : Déterminer la structure des protéines. Déterminer la structure de l ADN. Déterminer les étapes qui permettent l obtention d une protéine à partir d un ADN Détermination de la structure des protéines (2h) Activité et support TP : Structure des protéines (hydrolyse, migration sur gel avec des acides aminés, colorations de biuret et xanthoprotéique) Notions Les protéines sont un assemblage d acides aminés (résultat des migrations) disposés dans un ordre précis (voir hémoglobine), cet ordre = séquence. A la chaleur ou par hydrolyse acide cet assemblage se défait (réaction du biuret), on dit que les protéines sont dénaturées (détruites) à la chaleur. Les acides aminés eux, existent toujours (réaction xanthoprotéique).

2 1-2- Détermination de la structure de l ADN Mobilisation des pré-requis de seconde ADN = acide désoxyribonucléique, formé de 2 chaînes enroulées en spirale complémentaires constituées de nucléotides. Il existe quatre nucléotide différents : A, G, C et T. Les nucléotides s enchaînent les uns aux autres selon un ordre aléatoire appelé séquence de nucléotides. Les nucléotides des deux chaînes en vis à vis s apparient selon l ordre constant : A T et C G Fabriquer une protéine à partir d un gène (2h) Analyse d images résultats d expérience d autoradiographie{ Manuel SVT 1 ère S, éditions NATHAN, 2001 ; pages 52 et 53. Manuel SVT 1 ère S, édition BELIN, 2001 ; page 196.} Les processus de la synthèse de protéines, didacticiel ADN1 Synthèse et schématisation La synthèse des protéines se fait dans le cytoplasme. L ADN est nucléaire, il existe une copie d une partie du matériel génétique répartie dans la cellule. Le matériel génétique qui est réparti dans la cellule a été fabriqué par le noyau, ce n est pas de l ADN mais il est nucléidique : c est de l ARN. L expression de l information génétique se fait en deux étapes : transcription et traduction. Au cours de la transcription, un ARN messager complémentaire du brin transcrit de l ADN est synthétisé. La traduction permet la synthèse cytoplasmique de chaînes polypeptidiques. La séquence des acides aminés est gouvernée par celle des nucléotides de l ARN messager suivant un système de correspondance, le code génétique. Ce code génétique est universel et dégénéré. La traduction débute au codon d initiation et s arrête au codon stop. La séquence des acides aminés des protéines est imposée par l information génétique située dans la molécule d ADN.Un gène est défini comme une séquence de nucléotides d un brin d ADN déterminant la séquence d un polypeptide donné 2. Le phénotype cellulaire : l activité spécifique de certaines protéines Stratégies correspondant à la conséquence vérifiable 2 : Montrer la capacité d action des protéines. Déterminer les conditions d action de ces protéines et leur compatibilité avec celles d un organisme La capacité d action des protéines (2h) Bien que n étant par au programme, il me paraît nécessaire que les élèves aient un minimum d information sur la structure des glucides pour comprendre les TP suivants à propos des enzymes. TP : synthèse et hydrolyse de l amidon{manuel SVT 1 ère S, éditions NATHAN, 2001 : page 34. Pour l hydrolyse, amylase achetée en pharmacie. Révélateurs : lugol et bandelettes glucose.} avec test au début et à la fin de la présence d une protéine dans le milieu (biuret). Oses ou sucres simples : classés selon le nombre de carbone qu ils contiennent, exemple les hexoses (glucose, galactose, fructose) ont une saveur sucrée et réduisent la liqueur de Fehling. Diholosides : ils sont formés de deux oses, exemple saccharose (glucose + fructose). Polyholosides (macromolécules) : formés d un très grand nombre d hexoses : amidon, cellulose, glycogène. Toutes les réactions de synthèse ou dégradation de ces glucides nécessitent la présence de CATALYSEURS. Ces catalyseurs peuvent être chimiques (HCl ), ce sont des substances qui accélèrent une réaction chimique sans être consommés eux-mêmes par cette réaction. Il existe certaines protéines qui présentent une activité spécifique : la synthèse ou la dégradation de certains autres composants. Ces protéines sont des enzymes (protéines enzymatiques). LLes protéines enzymatiques sont des catalyseurs biologiques. L activité des enzymes contribue à la réalisation du phénotype Les conditions et mode d action des enzymes (5h) Présentation de la GOD et de son d action en démonstration, du fonctionnement de l ExAO{Manuel SVT 1 ère S, édition BELIN, 2001 ; page 184.}. Une enzyme est sensible aux variations de ph avec une zone de préférence de ph dans lequel elle présente une activité maximale, en dehors de cette zone là elle est dénaturée. C est une protéine, à ce titre elle est sensible aux hautes températures qui dénaturent les protéines et détruisent leur activité. Les basses températures inactivent les protéines, elles retrouvent leur activité avec le

3 Recherche des hypothèses concernant le mode et les conditions d action de la GOD par les élèves, conception d un protocole complet de test d une des hypothèses et réalisation de l expérimentation, travail de groupe. Synthèse des résultats en commun. retour à des températures favorables. Une enzyme est spécifique d une réaction et d un substrat (et réutilisable). Problème : Comment expliquer la double spécificité d une enzyme? Hypothèse : Il existe une système de reconnaissance du substrat par sa forme, à e site de reconnaissance est couplé un système réactionnel. TP : Analyse de la configuration de la carboxypeptidase{fichiers de description d une molécule d enzyme seule et de la molécule complexée avec une molécule mimétique du substrat. Ces fichiers peuvent être recherchés sur le site de la PROTEIN DATA BANK : Images dans manuel SVT 1 ère S, édition BELIN, 2001 ; page 187.} avec et sans substrat par Rasmol. Synthèse et schéma bilanmanuel SVT 1 ère S, éditions NATHAN, 2001, page 43.} Le site actif de l enzyme est le cœur du dispositif des capacités de celle-ci. La séquence d acides aminés qui constituent la protéine est responsable de la structure spatiale de celle-ci réalisent une forme spécifique de cette protéine qui va être à l origine des mécanismes de reconnaissance et d activité de l enzyme. La zone de reconnaissance est l assemblage de quelques acides aminés qui constituent une corbeille de forme complémentaire de celle du substrat. La zone catalytique, elle aussi de quelques acides aminés permet une déstabilisation électronique du substrat, le rendant sensible à la réaction catalytique programmée (hydratation, déshydratation ) Mode de fonctionnement de l enzyme : Reconnaissance du substrat par l enzyme. Formation du complexe enzyme substrat. Réaction catalytique sur le substrat : celui-ci change de forme au cours de la réaction. Séparation des produits de la réaction et de l enzyme. 3. Le phénotype général : combinaison de facteurs multiples Stratégies correspondant à la conséquence vérifiable 3 : Montrer que le phénotype peut être sous la dominance de plusieurs allèles. Montrer que le phénotype peut être sous la dominance de plusieurs gènes. Montrer que l expression des gènes peut être sous l influence de l environnement Des phénotypes et des allèles (2h) TP : Etude des groupes sanguins par Anagène{Protocole livretsams} Des phénotypes individuels sont dus au polyallélisme. Le gène est dit polymorphe. Certains allèles sont dominants, d autres récessifs, d autres enfin sont codominants entre eux Des phénotypes et des gènes (1h) Recherche Internet sur les facteurs risques liés au développement de certains cancers (gorge, poumons, peau ) Chez un individu donné, l expression finale d un gène est un mécanisme complexe qui fait intervenir de nombreux mécanismes de régulation dans lesquels l environnement joue une part non négligeable. Conclusion Pfab0105.jpeg Schéma des niveaux d action de l environnement et du génotype sur le phénotype

4 Chapitre 2 : La biosynthèse des protéines & la complexité des relations entre génotypes, phénotypes et l environnement 1) La séquence des acides aminés des protéines est imposée par l information génétique. 1.1) Un gène se caractérise par une séquence de nucléotides de l ADN. La molécule d ADN d un chromosome est le support de très nombreux gènes. 1.2) La transcription, première étape de la synthèse protéique, se déroule dans le noyau (cellules eucaryotes) Des acides ribonucléiques messagers (ARNm) complémentaires du brin d ADN transcrit sont synthétisés. L ARN, comme l ADN, est formé d un enchaînement de nucléotides. L ARNm est une molécule simple brin (monocaténaire) Trois nucléotides possèdent les mêmes bases que l ADN : Adénine / Cytosine / Guanine. Un nucléotide possède une base différente : Uracile à la place de Thymine. L enchaînement des nucléotides de l ARNm est complémentaire de l enchaînement des nucléotides du brin d ADN transcrit ou brin codant. Le nucléotide à Adénine est complémentaire du nucléotide à Uracile, Le nucléotide à Cytosine est complémentaire du nucléotide à Guanine. En fin de transcription, les ARNm produits passent dans le cytoplasme. 1.3) La traduction, deuxième étape de la synthèse des protéines, se fait dans le cytoplasme. Le code génétique permet la correspondance entre acides aminés et nucléotides. Trois nucléotides (triplet) consécutifs d ARNm forment un codon. À un codon correspond un seul acide aminé (Le code génétique est non-équivoque). Plusieurs codons peuvent correspondre à un acide aminé : le code génétique est redondant ou dégénéré. Le code génétique est identique pour la quasi totalité des êtres vivants : il est universel. La séquence des nucléotides de l ARNm est traduite en séquence d acides aminés de la chaîne polypeptidique. La traduction commence au niveau d un codon initiateur (AUG) Elle se termine au niveau d un codon stop (UAA, UGA, UAG) 2) Un phénotype résulte d interactions complexes entre le génotype et l environnement. 2.1) Un phénotype peut correspondre à plusieurs génotypes. Le phénotype dépend de la combinaison des différents allèles de chaque gène impliqué. Un même phénotype peut être obtenu chez un individu homozygote ou hétérozygote. Chez un homozygote, les deux allèles du gène sont identiques : le phénotype traduit directement le génotype. Chez un hétérozygote, les deux allèles du gène sont différents : le phénotype peut résulter de l expression d un seul allèle. 2.2) Un phénotype peut être gouverné par plusieurs gènes agissant successivement. La réalisation d un phénotype comporte souvent plusieurs étapes constituant une chaîne de biosynthèse. Ces étapes aboutissent à la synthèse d une molécule. Chaque étape dépend de l activité d une enzyme. La mutation d un seul gène participant à une chaîne de biosynthèse peut suffire à modifier le phénotype. Un même phénotype peut être obtenu lors de la mutation de différents gènes d une même chaîne de biosynthèse. 2.3) Les facteurs de l environnement contribuent à la réalisation du phénotype. Les facteurs de l environnement peuvent modifier directement l information génétique par mutation. Un même génotype peut conduire à des phénotypes différents en fonction des facteurs de l environnement. Connaissances à maîtriser. Connaître les définitions de phénotype, génotype, protéine, enzyme, gène, allèle, homozygote, hétérozygote, dominance, récessivité, codominance, chaîne de biosynthèse, mutation Connaître la structure de l ADN (Acide désoxyribonucléique), de l ARN (Acide ribonucléique), d un désoxyribonucléotide de l ADN, d un ribonucléotide de l ARN Savoir expliquer et schématiser la transcription de l ARNm à partir d un gène, la traduction de l ARNm en protéine (initiation, élongation, terminaison, rôle de l ARNt, rôle du ribosome, le code génétique et ses caractéristiques, codon, anticodon) Connaître des exemples de l influence de l environnement sur le phénotype, par modification du génotype et sans modification du génotype. Savoir déterminer le génotype d un phénotype donné

5 Chapitre 1 : La diversité des phénotypes & l activité enzymatique 1)La diversité des phénotypes est en relation avec la diversité des protéines. 1.1) Le phénotype aux échelles de l organisme et de la cellule trouve son origine à l échelle des molécules. A l échelle de l organisme, on peut observer des caractères morphologiques, anatomiques, physiologiques et comportementaux. A l échelle cellulaire, le phénotype concerne des caractères structuraux et métaboliques. A l échelle moléculaire, le phénotype concerne les protéines de structure, les protéines enzymatiques et le résultat de leur activité. 1.2) L activité d une protéine est liée à sa structure. Une protéine se caractérise par la séquence de ses acides aminés. Une séquence d acides aminés acquiert une structure spatiale particulière dans des conditions de milieu données. 2) Les enzymes sont des protéines qui contribuent à l expression du phénotype. 2.1) Les enzymes sont des catalyseurs biologiques. Une enzyme possède les propriétés d un catalyseur Un catalyseur accélère la vitesse d une réaction chimique Il est intact en fin de réaction Il agit à faible concentration. Les enzymes agissent dans des conditions de milieu compatibles avec la vie. La formation d un complexe enzyme-substrat pendant une très courte durée est une étape indispensable à l activité de catalyse. 2.2) L activité enzymatique obéit à une double spécificité : La structure spatiale d une enzyme lui confère la possibilité de s associer spécifiquement à un substrat. L enzyme ne catalyse alors qu un seul type de réaction chimique, c est la spécificité d action. La double spécificité d une enzyme s explique par la configuration spatiale de son site actif. Le site actif est une zone en creux de l enzyme où des acides aminés se lient avec le substrat Des acides aminés réagissent avec le substrat au cours de la catalyse. 2.3) Des modifications de la protéine enzymatique peuvent moduler ou abolir son activité. Ces modifications peuvent avoir pour origine un changement dans la séquence des acides aminés. Le changement d un ou plusieurs acides aminés peut modifier le site actif de l enzyme. Ces modifications peuvent avoir pour origine un changement de conditions du milieu. Une augmentation de température peut modifier la forme donc la fonction de l enzyme. Un changement de ph peut modifier la forme donc la fonction de l enzyme. Connaissances à maîtriser. Savoir définir les notions de génotype, de gène, d allèle, de phénotype aux différentes échelles (moléculaire, cellulaire, macroscopique) Connaître 2 à 3 exemples précis de relation entre le phénotype moléculaire, le phénotype cellulaire et le phénotype macroscopique (drépanocytose, mucoviscidose, phénylcétonurie) et savoir retrouver ces différents niveaux phénotypiques et expliquer leur lien à partir de documents. Savoir définir une «protéine», et connaître les différents niveaux structuraux d une protéine (structures primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire dans le cas d une protéine complexe comme l hémoglobine). Savoir expliquer le terme de «biocatalyseur» de site actif d une enzyme ; connaître les caractéristiques d une enzyme. Connaître des exemples d enzymes, types de substrat et réaction chimique (équation chimique de la catalyse) Connaître et savoir expliquer et schématiser la chronologie des étapes de la catalyse enzymatique avec la fixation de l enzyme sur son substrat au niveau du site actif, formation du complexe enzyme-substrat, déroulement de la réaction chimique catalysée, dissociation de l enzyme intacte et des produits. Connaître des exemples précis de modifications (conditions du milieu et/ou modifications de la séquence primaire) de la protéine enzymatique modulant ou annulant son activité (exemple de la PAH ou phénylalanine hydroxylase, la carboxypeptidase)

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