Séquence 2. L expression du patrimoine génétique. Sommaire

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1 Séquence 2 L expression du patrimoine génétique Sommaire 1. La synthèse des protéines 2. Phénotypes, génotypes et environnement Synthèse de la séquence 2 Exercices de la séquence 2 Glossaire des séquences 1 et 2 1

2 1 La synthèse des protéines Introduction Les caractéristiques ou le phénotype d un individu sont sous la dépendance d une catégorie de molécules : les protéines. Elles sont très nombreuses et constituent sa «boîte à outils», lui permettant d assurer différentes fonctions vitales comme la digestion, la production d énergie, la fabrication de ses constituants Le phénotype d un individu dépend de son génotype dont l expression se traduit par la synthèse de protéines. Quelques protéines et leurs fonctions biologiques : Protéines ADN polymérase, amylase Hémoglobine Ovalbumine Actine, myosine Collagène, kératine Anticorps Oestrogènes, insuline Fonctions Enzymes Protéine de transport Protéine nutritive Protéines contractiles Protéines de structure Protéines de défense Protéines hormonales Pour s interroger L ADN est le support de l information génétique, c est-à-dire de l ensemble des gènes (génotype) qui déterminent les caractéristiques (phénotype) d un individu et donc la synthèse de protéines. On cherche donc à comprendre la correspondance entre le message porté par l ADN (génotype) et la nature des protéines fabriquées par un individu (dont dépend son phénotype). A Données générales sur la nature chimique des protéines Les protéines appartiennent à la famille des protides qui désignent des molécules de base : les acides aminés et leurs polymères ou polypeptides (enchaînement d acides aminés). 3

3 Les acides aminés Il existe 20 acides aminés différents qui ont en commun un groupement fonctionnel acide (COOH) et un groupement fonctionnel amine (NH). Chaque acide aminé diffère par un groupement appelé radical. Formule générale : R (radical variable d un acide aminé à l autre) (fonction amine) NH 2 C COOH (fonction acide) H Document 1 Tableau des 20 acides aminés Noms Abréviations 3 lettres Abréviations 1 lettre Acide aspartique Asp D Acide glutamique Glu E Alanine Ala A Arginine Arg R Asparagine Asn N Cystéine Cys C Glutamine Gln Q Glycine Gly G Histidine His H Isoleucine Ile I Leucine Leu L Lysine Lys K Méthionine Met M Phénylalanine Phe F Proline Pro P Sérine Ser S Thréonine Thr T Tryptophane Trp W Tyrosine Tyr Y Valine Val V 4

4 Activité 1 Appliquer un modèle La glycine est un acide aminé ayant pour formule chimique globale C 2 H 5 O 2 N et l alanine C 3 H 7 O 2 N. Ecrivez leur formule développée en faisant apparaître les groupements fonctionnels. Les acides aminés s unissent par des liaisons covalentes appelées liaisons peptidiques. Chaque liaison s établit entre le groupement acide d un acide aminé et le groupement amine d un autre acide aminé avec perte d une molécule d eau. Par additions successives d acides aminés, on aboutit à une molécule linéaire appelée polypeptide. Les polypeptides Activité 2 Comprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique. Écrire toutes les combinaisons possibles de tripeptides (chaines à 3 acides aminés) en utilisant 3 acides aminés différents notés A, B et C. En utilisant 3 des 20 acides aminés différents, combien de tripeptides peut-on envisager sachant qu on peut utiliser plusieurs fois le même acide aminé? Définir alors la notion de séquence d un polypeptide. Les protéines : Ce sont des polypeptides dont le nombre d acides aminés est supérieur à 20. Certaines protéines peuvent être constituées de plusieurs centaines d acides aminés. On imagine donc pour des protéines constituées de 100 acides aminés l importante diversité de leur séquence possible (20 100!) Activité 3 Document 2 Caractéristiques structurales des protéines Recenser et extraire des informations Début de la structure primaire d une protéine : la chaîne ß de l hémoglobine. 5

5 Qu entend-on par structure primaire? Les acides aminés d une séquence protéique se comportent comme des molécules ionisées, chargées électriquement (positivement ou négativement). Il peut alors s établir des interactions (attractions ou répulsions) entre différents acides aminés. Certaines régions de la séquence se replient donnant à la protéine une configuration spécifique dans l espace. On parle de configuration spatiale ou structure tridimensionnelle de la protéine dont dépend sa fonction biologique. Le simple changement d un acide aminé peut modifier les interactions entre acides aminés et donc la structure tridimensionnelle d une protéine. Sa fonction peut alors changer (document3) Document 3 Interactions entre acides aminés chargés électriquement et structure tridimensionnelle d une protéine Je déteste l eau Moi je suis énorme avec un gros cycle Moi aussi je suis tout petit Je suis chargé négativement Moi j ai une longue chaîne carbonnée Pour répondre à ces multiples contraintes chimiques, physiques, et électriques, la protéine s adapte au mieux : Hé bien moi j adore l eau Je repousse le 4 mais je suis attiré par le 9 Je suis tout petit Je suis aussi chargé négativement Je suis chargé positivement Un acide aminé est remplacé par un autre et voilà le résultat : D autres liaisons chimiques (ponts disulfure) peuvent se former entre acides aminés soufrés de plusieurs chaînes différentes. Il existe donc des protéines formées de plusieurs chaînes polypeptidiques (document 4). Document 4 Protéine formée de deux chaînes polypeptidiques 6

6 L hémoglobine (document 5), protéine des hématies (globules rouges) dont le rôle est d assurer le transport des gaz respiratoires dans le sang, est formée de 4 chaînes polypeptidiques (2 chaînes α et 2 chaînes β). Elle possède 4 régions appelées hèmes permettant de fixer le dioxygène. Document 5 Structure tridimensionnelle de l hémoglobine Hème Globine alpha Globine béta Justifier l expression : l hémoglobine est une protéine complexe. À retenir Les protéines sont des molécules biologiques qui résultent de la polymérisation d acides aminés en une ou plusieurs chaînes polypeptidiques. Le nombre, la nature et l ordre d enchaînement des acides aminés définissent la séquence de la protéine ou structure primaire. Le repliement dans l espace des chaînes polypeptidiques définit la structure tridimensionnelle des protéines. Des liaisons chimiques peuvent s établir entre différents acides aminés plus ou moins éloignés conférant ainsi à la molécule une configuration tridimensionnelle appelée structure tertiaire. B La relation entre gène et protéine C est en 1908 qu une relation entre gène et protéine fut proposée par Archibald Edward Garrod, médecin britannique. Il étudia une maladie métabolique héréditaire, l alcaptonurie, rendant les urines des malades noirâtres au contact de l air, par oxydation de l acide homogentisique. Il découvrit que la maladie était due à un déficit d une enzyme (protéine), l acide homogentisique oxydase, qui dégrade l acide homogentisique chez les sujets sains. 7

7 Cette maladie héréditaire fonde ainsi une relation entre la production des protéines et l information génétique. Activité 4 Un exemple chez un champignon : Neurospora Recenser et extraire des informations pour formuler une explication ou une hypothèse. Dans les années 1940, les chercheurs G. Beadle et E. Tatum ont réalisé des expériences sur Neurospora, un champignon du groupe des moisissures. Ce champignon peut synthétiser toutes les molécules dont il a besoin, à partir des molécules présentes dans un milieu de culture minimum contenant sels minéraux, vitamines, sucres et une source d azote. Document 6 La voie de biosynthèse de l arginine chez Neurospora Parmi les substances indispensables à Neurospora, on peut citer les acides aminés. Neurospora synthétise par exemple son arginine à partir d une substance dite molécule précurseur prélevée dans le milieu minimum et qui est transformée selon la chaîne de réactions suivante : E3 E2 E1 Précurseur ornithine citrulline arginine E1, E2 et E3 désignent les enzymes qui catalysent les différentes étapes de la chaîne de biosynthèse. Document 7 L expérience de Beadle et Tatum Obtention de souches incapables de synthétiser l arginine (souches Arg-) 1 ère étape 2 ème étape 3 ème étape Rayons X Milieu minimum Milieu minimum + tous les acides animés Milieu minimum + arginine Irradiation de champignons Neurospora par des rayons X Culture sur milieu total Transfert grâce à un tampon stérile Culture sur milieu sélectif 8

8 Beadle et Tatum ont cultivé trois souches de Neurospora Arg (souches A, B et C) sur des milieux différents. La souche sauvage correspond au Neurospora décrit dans l introduction de l exercice (souche Arg+) capable de synthétiser son arginine. Type de souche Milieu minimum (MM) MM + orni- thine MM + citrulline MM + arginine Sauvage A B C = développement = mort Expliquer comment Beadle et Tatum ont obtenu des souches de Neurospora incapables de synthétiser l arginine et comment ils ont fait pour repérer ces souches parmi l ensemble des souches. Entourez sur le document les colonies correspondant aux souches Arg. Montrer que les phénotypes des souches A, B et C peuvent s expliquer chacun par l absence de l une des enzymes de la voie de biosynthèse de l arginine. Indiquer les arguments qui ont conduit Beadle et Tatum à formuler l hypothèse selon laquelle un gène contrôle la synthèse d une enzyme (donc d une protéine). Dans les années 80, les techniques de transgénèse se sont développées. Ainsi par exemple, il est possible d isoler à partir de l ADN humain le gène contrôlant la synthèse de l hormone de croissance humaine (HGH), situé sur le chromosome 17, et de le multiplier. Les multiples copies du gène sont alors injectées dans des cellules œufs de souris (partie 1 du document 8) et les œufs traités sont ensuite implantés dans l utérus de souris femelles «mères porteuses». Après la naissance, quelques souris (pas plus de 5 %) des souris issues de ces œufs expriment le gène de l HGH. L électrophorèse, technique de laboratoire qui permet de séparer les différentes protéines présentes dans un liquide biologique (plasma, lait) (partie 2 du document 8), permet de repérer ces individus. Indiquer l organisme donneur du gène et l organisme receveur. 9

9 Technique expérimentale Le principe de l électrophorèse L électrophorèse permet de séparer ou trier molécules en solution en fonction de leur taille et de leur charge électrique. Le mélange que l on veut trier est soumis à un champ électrique et la vitesse de déplacement dépend de la taille de la molécule. En pratique, un gel d agarose déposé dans une cuve d électrophorèse est creusé de puits. Dans ces puits, on dépose le mélange de protéines que l on veut analyser. On soumet l ensemble à un champ électrique. Les protéines chargées négativement migrent alors vers l anode (+). Les petites protéines migrent plus vite que les grosses. 10

10 Document 8 Micro injection de gènes de l hormone de croissance dans des œufs de souris 1. Les outils de la transgenèse directe Pipette qui maintient l ovule Ovule de souris avec noyau d ovocyte et noyau de spermatozoïde Seringue avec aiguille très fine et contenant des gènes intéressants dupliqués La transgenèse directe en action Injection des fragments d ADN extérieurs Obtention d un ovule ayant éventuellement intégré le nouveau gène dans son génome. Il va donner un nouvel individu exprimant éventuellement le nouveau gène. 2. Electrophorèse des protéines du lait des souris femelles nées de la mère porteuse Hormone de croissance humaine Lait de souris... Lait de souris... 11

11 Comparer les résultats des trois électrophorèses réalisées afin de déterminer laquelle est celle d une souris transgénique et laquelle est celle d une souris normale. Utiliser ces résultats pour indiquer en quoi la transgénèse prouve la relation «un gène une protéine». À retenir Les gènes, fragments d ADN gouvernent (codent) la synthèse des protéines, molécules polymères d acides aminés responsables du phénotype exprimé par un individu. Quel est le lien fonctionnel entre gènes et protéines? Où et comment s effectue la synthèse des protéines? C Du gène à la protéine 1. Localisation de la synthèse des protéines Technique expérimentale : l autoradiographie Document 9 Principe de l autoradiographie : une cellule est placée dans un milieu contenant une molécule de son métabolisme dont un atome est remplacé par un de ses isotopes radioactifs ( 3 H, 14 C ). La présence de ces isotopes ne modifie en rien l utilisation des molécules marquées par les cellules mais permet de les localiser dans la cellule. En effet, les substances radioactives émettent un rayonnement bêta qui peut impressionner une émulsion photographique maintenue quelque temps au contact du matériel biologique. Il y a alors précipitation de grains d argent qui apparaissent sombres aux endroits précis où se trouvent les isotopes radioactifs. La mise en évidence du devenir dans l organisme de substances ingérées Si on donne à manger à un individu un sandwich radioactif (faiblement)... t1 t2 t3...on peut suivre avec des clichés photographiques le devenir de ces substances. Ici on voit que la radioactivité après s être stockée dans le foie (t2) passe dans tout le corps (t3). Cette étude peut se faire avec toutes sortes de substances que l on aura rendues radioactives. Elle peut se faire sur les plantes aussi. Elle peut aussi être pratiquée à l échelle cellulaire. On n étudie plus alors par quels organes passent les substances mais comment les substances se déplacent dans le cytoplasme. 12

12 Activité 5 Données expérimentales sur la synthèse des protéines Exploiter et interpréter des résultats expérimentaux ; énoncer un problème Pour chercher le lieu où s effectue la synthèse des protéines, on utilise des Acétabulaires, algues unicellulaires de grande taille. Expérience 1 : Les algues sont mises en présence d un acide aminé radioactif, la méthionine. Après 30 minutes l autoradiographie montre le schéma de la figure a. Le résultat serait identique si les algues étaient ensuite replacées 3 heures dans un milieu «froid», c est à dire non radioactif. NB : le noyau n est jamais radioactif. A partir de ces résultats, retrouvez le lieu de synthèse des protéines. Expérience 2 : Des Acétabulaires sont mises en culture dans un milieu contenant de la thymine radioactive (une des 4 bases azotées de l ADN). Au bout de 30 minutes dans ce milieu, l autoradiographie donne les résultats de la figure b. Après avoir été replacées dans un milieu «froid» pendant 3 heures, la localisation de la radioactivité ne change pas. Montrez que ces résultats, et ceux qui précèdent, posent un problème biologique que vous énoncerez. figure a figure b Les Acétabulaires sont des algues vertes unicellulaires. Elles sont accrochées aux rochers par un pied et elles développent un chapeau circulaire au sommet d'un pédoncule. Le noyau cellulaire est situé dans le pied. On peut cultiver ces algues dans un aquarium d'eau de mer que l'on éclaire. On peut apporter à l'eau de l'aquarium différentes substances radioactives pour voir où va se localiser la radioactivité dans l'algue. Acétabulaire cultivée avec de la méthionine (un acide aminé) radioactive. Acétabulaire cultivée avec de la thymine (un des bases de l'adn) radioactive. Les points noirs représentent la radioactivité. Comment et sous quelle forme l information génétique passe-t-elle du noyau dans le cytoplasme, lieu de son expression? Activité 6 Recherche de l intermédiaire entre le noyau et le cytoplasme Extraire des informations Il existe dans les cellules des molécules qui appartiennent au même titre que l ADN à la famille des acides nucléiques. Ces molécules appelées ARN (acide ribonucléique) ont une structure voisine de l ADN. Il est possible de repérer l ADN et l ARN dans la cellule grâce à deux colorants spécifiques : le vert de méthyle colore spécifiquement l ADN en vert et la pyronine colore spécifiquement l ARN en rose. Le schéma du document 10 présente des cellules qui produisent beaucoup de protéines, colorées par un mélange de vert de méthyl-pyronine. 13

13 Document 10 Cellules après coloration noyau coloré en vert cytoplasme coloré en rose Mettre en relation les parties cellulaires colorées et la localisation des molécules identifiées. Activité 7 Synthèse expérimentale de protéines in-vitro Recenser, extraire et organiser des informations A partir de cellules vivantes dont la synthèse protéique est active, il est possible d obtenir des extraits cellulaires contenant tous les types d organites cytoplasmiques (éléments fonctionnels de la cellule) mais sans ARN ni ADN. De même, on peut préparer à partir du cytoplasme des extraits de solution d ARN. On a ajouté in-vitro aux extraits cellulaires obtenus des acides aminés et une certaine quantité d ARN. On a mesuré la quantité d ARN présent et la quantité d acides aminés incorporés dans les protéines fabriquées en fonction du temps. Les résultats sont illustrés par le graphique du document 11 : Document 11 Quantité d ARN ou d acides aminés Quantité d ARN Quantité d acides aminés incorporés Temps en minutes Donner un titre au graphique et l exploiter pour expliquer la variation de la quantité d acides aminés incorporés dans les protéines synthétisées. 14

14 En déduire une propriété de l ARN que l expérience met en évidence. Des autoradiographies de cellules cultivées en présence d uracile radioactif (précurseur de l ARN) sont présentées dans le document 12. Document 12 Une cellule est cultivée durant 15 minutes en présence d un précurseur radioactif de l ARN. Après 15 minutes on recherche la radioactivité. Après 15 minutes de culture sur milieu radioactif on cultive la cellule sur milieu non radioactif. On recherche la radioactivité au bout d une heure et demie. Indiquer quels renseignements sont fournis par cette expérimentation? On qualifie les ARN d ARN messager. Justifier ce terme. Les deux étapes majeures de l expression d un gène sont la transcription de l ADN en ARN messager (ARNm) dans le noyau et la traduction de l ARNm en protéine dans le cytoplasme. Proposer une définition de ces deux étapes. À retenir Bien que l ADN, support de l information génétique, soit dans le noyau des cellules eucaryotes, la synthèse des protéines s effectue dans le cytoplasme. Des molécules d acide ribonucléique (ARN) fabriquées par transcription de l ADN, permettent la traduction en protéines du message génétique porté par l ADN. Les molécules d ARN sont synthétisées dans le noyau et migrent ensuite dans le cytoplasme : on les appelle des ARN messager ou ARNm. Par quel mécanisme s effectue le transfert de l information de l ADN à l ARNm? 2. La transcription de l ADN en ARNm a) La structure de l ARNm Nous avons déjà signalé précédemment que l ARN est un acide nucléique, molécule voisine de l ADN. En quoi les deux molécules diffèrent-elles? 15

15 Activité 8 Comparaison de l ARN et de l ADN Utiliser les technologies de l information, extraire des informations Télécharger le logiciel «Rastop» sur le site de l INRP (Institut National de Recherche pédagogique). Lien : Si le lien ne fonctionne pas, tapez rastop + INRP sur un moteur de recherche. Ouvrir le logiciel Rastop et ouvrir les fichiers «ARN» et «ADN» de votre dossier «molécules séquence 4 chapitre1». Placer les deux fenêtres côte à côte et afficher les deux molécules en sphères. Les colorer par chaîne. Aide Pour ouvrir un fichier, cliquer sur fichier / ouvrir pour avoir accès à la banque de molécules. Pour observer les fenêtres côte à côte, cliquer sur l icône mosaïque de fenêtres (icône cascade). Affichage en cascade sphères Comparer la structure de la molécule d ARN à celle de l ADN. Colorer les molécules par forme. 16

16 Préciser les différences dans la constitution des deux molécules. Aide : 1 : nom de la molécule affichée. 2 : nom de la chaîne de la molécule sur laquelle la souris est positionnée. 3 : nom de la sous-unité sur laquelle la souris est positionnée et numéro d ordre dans la chaîne. Ecrire la séquence nucléotidique de l ARN. Activité 9 Document 13 Modalités de la transcription Mobiliser ses connaissances, extraire des informations et formuler des hypothèses explicatives. Rappeler la définition d un gène, où s effectuent la transcription et la traduction de l information génétique. On cherche à découvrir quelques modalités de la transcription du gène de l alpha globine. Comparaison du début et de la fin des séquences nucléotidiques du gène de l alpha globine et de l ARNm correspondant. Noter le nombre de nucléotides de chaque brin du gène et de l ARNm correspondant. 17

17 Recopier les dix premiers et les dix derniers nucléotides du gène et de son ARNm. Numéroter le premier et le dernier nucléotide (attention à l échelle de graduation!) Comparer les séquences de l alpha ARNm cod avec l alphabrin1 puis avec l alphabrin2. En tenant compte de vos connaissances sur la structure de l ADN, proposer 2 processus de synthèse de l ARNm à partir du gène En fait, il a été démontré que l ARN se forme en «négatif» d un des deux brins d ADN servant de matrice, par complémentarité de bases. Ce brin d ADN est appelé brin transcrit (l autre est appelé brin non transcrit). L ARN est une chaîne linéaire de nucléotides monobrin beaucoup plus courte que l ADN. Effectivement une molécule d ADN comprend plusieurs milliers de gènes alors qu un ARNm correspond à la transcription d un seul gène. Document 14 Structure d une molécule d ARN acide phosphorique G ribose A U uracile C A BASES AZOTÉES A C adénine cytosine G guanine U G G un ribonucléotide Quels sont les mécanismes de la transcription? b) Les mécanismes de la transcription La transcription correspond à la synthèse de molécules d ARNm à partir de l ADN. Elle peut être observée au microscope électronique à transmission. Sur le document, un gène présente une activité de synthèse d ARNm. Chaque filament hérissé de part et d autre du fragment d ADN correspond à une molécule d ARNm en cours de synthèse. 18

18 Document 15 Schéma d interprétation d un gène en phase de synthèse d ARN unité de transcription ADN sens de transcription signal de fin de transcription ARN polymérase ARN en cours de synthèse ARN terminé Document 16 Mécanismes de transcription de l ARN En un site précis de l ADN (site début de transcription), les liaisons entre bases se brisent sous l action d un complexe enzymatique : l ARN polymérase. Les deux brins (brin transcrit et brin non transcrit se séparent). À ce niveau, des ribonucléotides libres assimilés par la cellule se placent le long du brin transcrit de l ADN par complémentarité des bases, selon un sens de transcription. L ARN polymérase se déplace le long du brin transcrit de l ADN depuis le site de début de transcription jusqu au site de terminaison et lie les nucléotides progressivement (50 à la seconde environ). À la fin du message, l ARN polymérase se détache de l ADN ainsi que l ARN et les deux brins de l ADN se referment. Plusieurs ARNm sont synthétisés en même temps, ce qui nécessite de l énergie cellulaire. Puis l ARN quitte le noyau pour le cytoplasme en passant par des pores de l enveloppe nucléaire. Activité 10 Schématiser les mécanismes de la transcription Extraire des informations pour légender et annoter un schéma À partir des informations du document 16, légender et annoter le document

19 Document 17 Schéma du mécanisme de transcription de l ADN en ARN. c) La maturation de l ARN La transcription de l ADN n aboutit pas directement à la synthèse d un ARN mature prêt à être traduit en protéine. La transcription d un gène est en fait la fabrication d une molécule d ARN pré-messager, complémentaire du brin codant du gène considéré. Ce n est qu après maturation que l ARNm peut-être traduit en protéine. Voyons en quoi consiste de façon simplifiée cette maturation Chez les eucaryotes, un ARN pré-messager transcrit à partir de l ADN d un gène subit une série de coupures et ressoudures qui aboutissent à l élimination de certains fragments dans l ARNm mature. Ce processus est appelé épissage. On appelle exons les fragments conservés et introns ceux qui sont éliminés. Les exons sont donc les parties transcrites des gènes qui seront au final traduites en protéines. Les gènes sont ainsi constitués d une succession d exons et d introns qui alternent et l épissage de l ARN pré-messager en ARNm mature ne contenant plus que les exons est qualifié d épissage alternatif. Document 18 Schématisation de l épissage alternatif pré-arn exon intron exon intron exon ARNm 20

20 Combien d ARNm matures différents peut-on obtenir à partir de l ARN pré-messager du document 18? Réponse : 3. L ARNm peut avoir ligaturé 3, 2, ou 1 exon. Des mécanismes cellulaires complexes régulent l épissage et peuvent permettre à un ARN pré-messager d être épissé en plusieurs ARNm matures différents. Un même gène peut donc être à l origine de la traduction de protéines différentes. L épissage alternatif joue donc un rôle déterminant dans le développement des cellules, l organisation des tissus et donc dans le développement d un individu. Ainsi, dans l espèce humaine, sur les gènes du génome, 70 % subissent un épissage alternatif. Ainsi on estime qu un seul gène peut être à l origine de ARNm matures différents et donc autant de protéines différentes. L adage «1 gène-1 protéine» est donc caduque. À retenir Dans le noyau, la transcription est le mécanisme par lequel l ARNm (acide ribonucléique) est synthétisé. Cette synthèse se réalise à partir de l un des deux brins d ADN appelé brin transcrit ; l autre brin d ADN non transcrit correspond au gène. Sous l action d un complexe enzymatique (ARN polymérase), la molécule d ADN s ouvre et par complémentarité de bases, les ribonucléotides libres s associent en une séquence complémentaire du brin d ADN transcrit. Au niveau de l ARN, la thymine est remplacée par l uracile. La synthèse d une molécule monobrin d ARN nécessite de l énergie. Chez les eucaryotes, la transcription est en fait la fabrication, dans le noyau, d une molécule d ARN pré-messager qui après épissage des parties non codantes est transformé en ARNm mature pouvant être traduit en protéines dans le cytoplasme. Problème : quelle est la correspondance entre le code porté par l ARNm (séquence de nucléotides) et les protéines (séquence d acides aminés)? 3. Le système de correspondance entre nucléotides et acides aminés ou code génétique Un gène code pour une protéine spécifique. C est donc la séquence nucléotidique d un gène (et donc de son ARN transcrit) qui détermine la séquence des acides aminés d une protéine. Le problème est de comprendre comment une molécule formée de 4 nucléotides différents permet la synthèse d une molécule formée à partir de 20 acides aminés différents. Autrement dit comment à partir d un alphabet à 4 «lettres» on peut écrire 20 «mots» différents. 21

21 Activité 11 Découverte du code génétique Éprouver des hypothèses. Comprendre le lien entre le langage mathématique et les phénomènes naturels. Parmi les hypothèses suivantes, lesquelles sont à invalider et laquelle peut-on théoriquement retenir? Justifier la réponse. Hypothèse1 : un nucléotide de l ARN code pour un acide aminés. Hypothèse 2 : deux nucléotides de l ARN codent pour un acide aminé. Hypothèse 3 : trois nucléotides de l ARN codent pour un acide aminé. Document 19 Correspondance entre l ARN et les acides aminés A U G C A U G C A U G C A U G C A U G C 1 ère base, 4 possibilités. 2 ème base, 4 nouvelles possibilités. AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AUGC AAA, première combinaison possible... 3 ème base, 4 nouvelles possibilités....ccc, 64 ème combinaison possible En fait, c est en 1961 que deux biologistes, Niremberg et Matthéi ont validé l hypothèse qu une combinaison de trois nucléotides code pour un acide aminé. Pour cela, ils ont synthétisé in-vitro, un ARNm uniquement composé de nucléotides U (le poly U). Ils ont mélangé des molécules de poly U en présence de tous les acteurs cellulaires de la synthèse protéique ainsi qu un seul type d acide aminé. Dans leurs expériences, seul le mélange contenant la phénylalanine comme acide aminé a permis la synthèse d un polypeptide uniquement constitué d une séquence de plusieurs phénylanines. Ils ont ainsi démontré que le triplet UUU de l ARNm code pour l acide aminé phénylalanine. Quatre ans plus tard, la signification des 63 autres triplets ou codons de nucléotides était élucidée. Elle constitue aujourd hui ce que l on nomme le code génétique. Comment expliquer l existence de 64 codons différents alors qu il n existe que 20 acides aminés? Activité 12 Signification des différents codons Extraire des informations pour formuler des explications Document 20 Comparaison du début et de la fin de la séquence de l ARNm de l alpha globine et de la séquence peptidique correspondante. 22

22 Document 21 Retrouve-t-on plusieurs fois le même acide aminé dans la séquence peptidique? Donner des exemples. Mettre en relation ces acides aminés avec leur codon. Que constate-t-on? En déduire une propriété du code génétique. Comparer la fin de la séquence de nucléotides et celle en acides aminés. Donner une explication. Quelle autre propriété du code génétique mettent en évidence les expériences de transgénèse? Comparaison du début de la séquence de l ARNm de deux protéines différentes et de leur séquence peptidique correspondante. Document 22 Que constate-t-on? Le code génétique U U 2 ème base C A G PHE SER TYR CYS PHE SER TYR CYS LEU SER STOP STOP LEU SER STOP TRP U C A G 1 ère base C A LEU PRO HIS ARG LEU PRO HIS ARG LEU PRO GLN ARG LEU PRO GLN ARG ILE THR ASN SER ILE THR ASN SER ILE THR LYS ARG MET THR LYS ARG U C A G U C A G 3 ème base G VAL ALA ASP GLY VAL ALA ASP GLY VAL ALA GLU GLY VAL ALA GLU GLY U C A G 23

23 Remarque Le document 22 permet ainsi de constater que sur les 64 codons il y en a 61 qui codent pour un acide aminé. Trois codons ne désignent aucun acide aminé. Ils marquent la fin de synthèse protéique et on les appelle codons stop ou non-sens. Certains codons codent le même acide aminé et indiquent que le code génétique est redondant ou dégénéré. Chez les eucaryotes, la transcription de l ADN n aboutit pas systématiquement à la synthèse d ARNm codant. Les scientifiques ont montré que seulement 1.2 % de l ADN génomique d une espèce est traduit en protéines. La majeure partie de l ARN transcrit est donc non codant et est alors qualifiée d ARNnm (non messager). C est le cas par exemple de l ARN ribosomal (constituant principal des ribosomes, organites impliqués dans la synthèse protéique) et de l ARN de transfert nécessaire à la polymérisation des acides aminés en polypeptide lors de traduction. Schéma bilan : Activité 13 Mobiliser ses connaissances pour annoter un schéma Compléter le schéma bilan illustrant la correspondance entre ADN et protéine. Aide On attend les annotations suivantes : protéine ADN ARNm transcription traduction. Problème : comment l ARNm est-il traduit en protéines? Quels en sont les mécanismes et les outils? 24

24 4. Les outils et les mécanismes de la traduction On sait que la transcription de l ADN a lieu dans le noyau et la traduction (synthèse des protéines) dans le cytoplasme. Document 23 Ultrastructure d une cellule siège d une synthèse protéique cytoplasme noyau pore nucléaire réticulum endoplasmique Remarque Activité 14 D autres organites non schématisés ici sont associés au réticulum : les ribosomes. On peut s interroger sur les organites nécessaires à la traduction. Importance du réticulum dans la synthèse des protéines Extraire des informations pour répondre à un problème Relever les arguments qui attestent que le REG est le lien de synthèse des protéines. 1 : Les glandes salivaires sont formées de cellules dont la synthèse protéique est active. Elles synthétisent des enzymes digestives. 2 : En microscopie électronique, on peut observer dans le cytoplasme des zones avec des feuillets granuleux. Elles correspondent à deux organites : le réticulum endoplasmique (système de cavités communicantes limitées par une membrane et les ribosomes organites granuleux accolés à la membrane du réticulum. L ensemble forme le réticulum endoplasmique granuleux (REG). 3 : En présence d acides aminés radioactifs, les enzymes produites sont ellesmêmes radioactives. On constate après autoradiographie que la radioactivité se concentre dans le REG. 25

25 a) Le réticulum endoplasmique et les ribosomes : organites nécessaires à la synthèse des protéines C est au niveau du réticulum endoplasmique (système de cavités communicantes limitées par une membrane) et des ribosomes (organites accolés à la membrane du réticulum) qu a lieu la synthèse des protéines. Document 24 Microphotographie de réticulum et de ribosomes au MET (x 40000) et interprétation schématique Membrane du réticulum endoplasmique granuleux Ribosomes x On peut suivre plus précisément les relations entre ces acteurs de la synthèse protéique par des observations en microscopie électronique. Le document 26 montre que la synthèse fait intervenir un ensemble de ribosomes associés en une sorte de chapelets appelés polysomes. Une molécule d ARNm (repérée par une flèche sur la photographie C) relie entre eux les ribosomes. 26

26 Document 25 A x Microphotographies de polysomes au MET et schéma d interprétation Polysome Ribosome x B x Ribosome ARNm x C x Ribosome ARNm x

27 Document 26 Structure d un ribosome Un ribosome est un organite globulaire formé de deux sous-unités de taille différente (elles sont non liées s il n y a pas de synthèse). Le rôle d un ribosome est de traduire l ARNm codon par codon et d assembler la séquence d acides aminés par des liaisons peptidiques. Un même ARNm peut être traduit plusieurs fois et simultanément par plusieurs ribosomes avec un sens de lecture unidirectionnel grâce à l existence d un codon initiateur (AUG) et d un codon stop. Document 27 Microphotographie d un polysome en activité au MET b) Les mécanismes de la traduction Trois phases nécessitent des enzymes et de l énergie : Initiation de la traduction. Elle débute toujours au niveau d un codon AUG appelé codon initiateur qui détermine l assemblage d un ribosome sur l ARNm. 28

28 Document 28 Représentation schématique de l initiation Elongation : le ribosome défile le long de la molécule d ARNm, ce qui permet la mise en place des différents acides aminés suivant l ordre des codons de la séquence de nucléotides de l ARNm. Document 29 Représentation schématique de l élongation Terminaison : Lorsque le ribosome arrive au niveau d un codon stop, la synthèse s achève. Ce codon déclenche la dissociation du ribosome, la libération dans le cytoplasme du polypeptide et l élimination de la méthionine si le premier acide aminé du polypeptide n est pas la méthionine. 29

29 Document 30 Représentation schématique de la terminaison Remarque : une molécule d ARNm permet la synthèse de 10 à 20 protéines puis elle est dégradée (les nucléotides libérés peuvent être recyclés et participer à la synthèse de nouvelles molécules d ARN). À retenir La traduction correspond à l expression dans le cytoplasme de l information génétique portée par l ARNm en séquence d acides aminés (polypeptide). Elle nécessite : Des ribosomes, organites de lecture des codons de l ARNm et d assemblage des acides aminés. Des acides aminés libres du cytoplasme et leur transfert au niveau des ribosomes. Des enzymes (et de l énergie). La traduction comporte trois phases : l initiation, l élongation et la terminaison. Bilan du chapitre L information génétique contenue dans les chromosomes sous forme de gènes est matérialisée par la séquence de nucléotides. Lors de la synthèse des protéines, ce message est transcrit en ARNm (dans le noyau) qui va transporter l information jusqu aux ribosomes (dans le cytoplasme) où s effectue l assemblage des acides aminés en polypeptides lors de la traduction. La correspondance entre séquence de nucléotides et séquence d acides aminés se fait selon le code génétique universel. 30

30 Schéma bilan du chapitre 31

31 2 Phénotypes, génotypes et environnement Pour s interroger À la question «Que regardez-vous en premier chez un inconnu?», la réponse majoritaire est «les yeux». Leur couleur est un élément incontournable pour décrire l apparence d autrui Le biologiste parle de caractéristique phénotypique. Noisette, bleu acier, vert, bronze Autant de nuances pour définir la couleur de l iris. On parle de phénotypes alternatifs. Pour ce caractère exprimé et pour tous les autres, nous avons appris que le phénotype est sous la dépendance d une catégorie de molécules : les protéines, dont les gènes gouvernent la synthèse. Les individus d une même espèce sont reconnaissables à leurs caractères communs. Ils sont cependant tous différents. Chaque individu possède des caractéristiques (morphologiques, anatomiques ou physiologiques) qui lui sont propres. Quelles sont les différentes échelles de définition des phénotypes? Quelle est l origine des phénotypes alternatifs? Le phénotype se résume-t-il à la seule expression du génotype? A Les différentes échelles de définition du phénotype L exemple d une maladie héréditaire, la drépanocytose ou anémie falciforme (maladie du sang) va nous permettre de définir les différentes échelles du phénotype. Quelques caractéristiques de la drépanocytose (ou anémie falciforme) La drépanocytose est une maladie héréditaire qui provoque une mortalité infantile importante dans certaines régions du monde (elle atteint plusieurs centaines de milliers d enfants). Elle est fréquente dans certaines régions en Afrique, au Moyen-Orient, en Asie du sud. Une personne atteinte présente des symptômes caractéristiques : essoufflements, lèvres bleues, palpitations cardiaques. 32

32 Il en existe deux formes : Une forme dite majeure, lorsque chacun des deux parents d un individu atteint leur a transmis chacun l allèle responsable. Une forme dite mineure, compatible avec la vie, lorsque seulement un des parents a transmis l allèle responsable. Chez une personne non malade, les hématies, de forme biconcave, circulent dans les plus petits capillaires ce qui permet un transport continu des gaz respiratoires (dont le dioxygène) au niveau de toutes les cellules. Chez une personne drépanocytaire, les hématies (globules rouges), sont rigides et éclatent facilement. Il en résulte une mauvaise oxygénation des cellules et une anémie liée à leur destruction. Elles sont déformées en forme de faucille (falciformes) et bloquent la circulation sanguine dans les plus petits capillaires. L arrêt de la circulation peut être à l origine de lésions dans les tissus (os, muscles, poumons ) qui s accompagnent de douleurs. Dans la forme majeure, l absence totale d hématies normales entraîne une mortalité infantile précoce (vers l âge de 5 ans). Dans la forme mineure, la présence d hématies normales compense celle d hématies drépanocytaires. Elle est compatible avec la vie. Document 1 Aspect des hématies chez une personne normale (à gauche) et drépanocytaire (à droite) On trouve dans les hématies une protéine qu elles seules synthétisent : l hémoglobine. Elle est normalement dissoute dans le cytoplasme. Elle comprend quatre chaînes polypeptidiques : deux chaînes de 141 acides aminés liées à deux chaînes ß de 146 acides aminés. Chaque chaîne est associée avec une région de la molécule appelée hème capable de fixer le dioxygène. La solubilité de l hémoglobine des malades drépanocytaires est beaucoup plus faible que celle de l hémoglobine normale. Leur hémoglobine (HbS pour sickle = faucille) est modifiée par rapport à l hémoglobine normale (HbA). Plusieurs molécules anormales peuvent s agglutiner formant des agrégats fibreux. 33

33 Document 2 Hématie drépanocytaire observée au MET et modèle moléculaire Assemblage de molécules d hémoglobine Hbs 21,5 nm précipité fibreux On a déterminé la séquence des acides aminés de la chaîne ß de l hémoglobine. Les sept premiers acides aminés de la séquence primaire de HbS sont : HbA : Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu HbS : Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu Remarque : la valine est un acide aminé qui établit des liaisons avec la leucine ce qui n est pas le cas de l acide glutamique. HbA HbS Acide glutamique valine 34

34 HbA HbS Chaîne β de l hémoglobine HbA Val His LeuThr Pro Glu Glu Lys Ser Chaîne β de l hémoglobine HbS Val His Leu Thr Pro Val Glu Lys Ser Activité 1 Les différentes échelles de phénotypes liées à la drépanocytose Recenser, extraire et organiser des informations en relation avec le problème posé. Indiquer les trois différentes échelles de définition d un phénotype? Construire un tableau comparatif des trois niveaux de phénotypes chez un individu sain et un individu malade. Établir un lien de cause à effet entre les différents niveaux de phénotype en partant de la molécule concernée. Aide Construire un tableau à double entrée : une entrée pour les niveaux de phénotypes et une entrée pour les individus sains et malades. Indiquer la différence entre HbA et HbS. Expliquer les conséquences structurales qui en découlent. À retenir L observation morphologique, anatomique, physiologique et comportementale permet l étude du phénotype macroscopique (ce qui est accessible par une observation extérieure). L étude microscopique révèle le phénotype cellulaire. Les protéines sont responsables des caractères exprimés à l échelle moléculaire. Elles définissent le phénotype moléculaire. Les différents niveaux de définition du phénotype sont liés entre eux : le phénotype moléculaire conditionne le phénotype cellulaire qui a des répercussions sur le phénotype macroscopique. Ainsi une molécule anormale (ou absente) peut-être à l origine d une anomalie de structure et/ ou de fonctionnement pouvant entraîner des troubles au niveau de l organisme. Pour un caractère donné, il existe plusieurs phénotypes qualifiés d alternatifs. Les phénotypes alternatifs sont dus à des différences dans les protéines concernées : Des différences qualitatives (séquence et/ou structure tertiaire différente). Des différences fonctionnelles (activité biologique différente). Les caractéristiques phénotypiques d un individu sont donc liées aux protéines que les cellules sont capables de produire. 35

35 B Du génotype au phénotype 1. Phénotype sous la dépendance d un couple d allèles Activité 2 Rappel Document 3 Déterminisme génétique des groupes sanguins du système ABO Recenser, extraire et organiser des informations. Raisonner avec rigueur La synthèse des marqueurs sanguins a un déterminisme génétique (voir document 3). Déterminisme génétique de la synthèse des marqueurs sanguins A B O Synthèse d une molécule A Synthèse d une molécule B Pas de synthèse Globule rouge du groupe A Globule rouge du groupe B Globule rouge du groupe O Chromosome n 9 portant un gène (il en porte d autres) Trois allèles pour ce gène Les hématies ont un aspect identique chez tous les individus, sauf chez ceux atteints de drépanocytose. Elles diffèrent cependant par la présence ou l absence à leur surface, de molécules marqueurs A et B. Selon que l on possède ou non ces molécules, on est de phénotype A (présence du marqueur A), B (présence du marqueur B), AB (présence du marqueur A et B) ou O (aucun marqueur n est présent). L identification d un groupe peut être réalisée par un test d agglutination. Il consiste à mélanger une goutte de sang d un individu à un «sérum test» contenant des anticorps capables de se lier spécifiquement à l un des marqueurs caractéristiques des groupes sanguins et d entraîner une agglutination (ou précipitation) des hématies. 36

36 Identification des groupes sanguins par un test d agglutination. Groupe Ac Anti B Anti A Anti AB Groupe A Pas d agglutination Agglutination Agglutination Groupe O Pas d agglutination Pas d agglutination Pas d agglutination Groupe B Agglutination Pas d agglutination Agglutination Groupe AB Agglutination Agglutination Agglutination Le gène responsable du caractère «groupe sanguin» a été identifié et localisé sur le chromosome 9. Nos cellules (dont les hématies) possèdent donc sur la paire de chromosomes 9 deux allèles parmi les trois (A, B et O). NB : un individu qui possède pour un gène donné, les mêmes allèles sur les chromosomes d une même paire, est homozygote pour ce gène. S il possède des allèles différents, il est hétérozygote. Déterminer les génotypes associés au phénotype AB d une part et au phénotype O d autre part. Conventions d écriture : le phénotype s écrit entre crochets [ ] (exemple le phénotype A s écrit [A]) ; le génotype entre parenthèses ( ) chaque barre symbolisant un allèle d un chromosome, que l on nomme par une lettre (ici A et/ou B ou O). Montrer pour les groupes sanguins A et B, que chacun de ces phénotypes correspond à plusieurs génotypes possibles que vous identifierez. Nous savons que de nombreux gènes possèdent plusieurs allèles. On peut alors se demander si à chaque couple d allèles définissant le génotype d un individu correspond un phénotype particulier. Activité 3 Le polymorphisme des gènes de l hémoglobine, drépanocytose et thalassémies Mobiliser ses connaissances. Organiser sa réponse sous forme d un tableau. Les thalassémies sont comme la drépanocytose des maladies du sang pouvant provoquer des anémies sévères et ont pour origine l absence de production de chaînes de globines complètes. 37

37 Document 4 Brin non transcrit du gène codant pour la globine normale Le tableau suivant montre les différentes modifications observées chez des sujets, qui affectent le gène à l origine des différentes pathologies. mutation triplets de mucléotides (ADN) séquences normales séquences modifiées nombre d acides ani- més dans la chaîne conséquences phénoty- piques et signes cliniques 1 2 CAT 146 Hb fonctionnelle 2 6 GT G 146 Hb en fibres, hématies déformées; drépanocytose 3 6 G-G T AG T AG 38 Thalassémie (anémie grave) TTTT AGT AC C C TC 146 diminution de l affinité pour l O2 augmentation de l affinité pour l O TTC 146 Hb fonctionnelle Quelles remarques faites-vous sur les triplets 0 et 147? Compléter le tableau. Envisager les conséquences des mutations 1, 2, 4 et 9, pour des individus homozygotes, au niveau des phénotypes moléculaire, cellulaire et macroscopique. On notera HbA l allèle muté1 ; HbS l allèle muté 2 ; HbT l allèle muté 4 ; HbA l allèle muté 9. Aide Répondre sous forme d un tableau avec une colonne pour le numéro des mutations, une colonne pour l expression du codon muté, une colonne pour le phénotype moléculaire, une colonne pour le phénotype cellulaire et une colonne pour le phénotype macroscopique. 38

38 2. Des phénotypes sous la dépendance de plusieurs gènes Activité 4 Synthèse des molécules à l origine des groupes sanguins Extraire et organiser des informations. Raisonner avec rigueur. Les marqueurs à l origine des groupes sanguins diffèrent entre eux par une chaîne glucidique associée aux marqueurs. La synthèse de cette chaîne glucidique est effectuée en plusieurs étapes, chacune d elles étant catalysée par une enzyme. Seules les dernières étapes sont concernées dans la distinction entre les différents marqueurs. L avant dernière étape est sous la dépendance d un gène dont on connaît deux allèles : H qui code pour une enzyme fonctionnelle (enzyme H) et h qui code pour une enzyme non fonctionnelle (enzyme h). La dernière étape est sous la dépendance d un autre gène (celui du système ABO. Rappelons que l allèle A code pour une enzyme A fonctionnelle, l allèle B code pour une enzyme B fonctionnelle et l allèle O code pour une enzyme non fonctionnelle. Document 5 Dernières étapes de la chaîne de biosynthèse des marqueurs sanguins du système ABO Molécule lipidique N acétyl galactosamine Galactose enzyme H enzyme A Fucose Précurseur Marqueur H Marqueur A Molécule lipidique N acétyl galactosamine Galactose enzyme H enzyme B Fucose Précurseur Marqueur H Marqueur B Molécule lipidique N acétyl galactosamine Galactose enzyme H enzyme O Aucun radical fixé Fucose Précurseur Marqueur H 39

39 Montrer que les phénotypes présentés résultent de l expression de plusieurs gènes. Déterminer, en justifiant la réponse, les différents génotypes qui conduisent au phénotype O. Un homme et une femme ont été classés dans le groupe sanguin O. Ce couple a eu deux enfants, l un de groupe A et l autre de groupe B. Indiquer les génotypes possibles de ces parents de phénotype O. À retenir Dans les cellules possédant des paires de chromosomes, il y a deux allèles pour chaque gène. Pour tous les gènes polyalléliques, un individu peut donc posséder deux allèles identiques ou différents du même gène : Dans le premier cas, l individu est dit homozygote pour ce gène c est-à-dire qu il ne produit qu un type de protéine. Dans le deuxième cas, l individu est dit hétérozygote pour ce gène : il peut produire alors 2 types de protéine. Le phénotype d un individu est-il sous la seule dépendance de son génotype? C Des facteurs de l environnement contribuent au phénotype Dans certains cas, l environnement n a pas d influence sur le phénotype, comme par exemple celui des groupes sanguins. Pour certains phénotypes, on peut mettre en évidence un rôle important de l environnement sur l expression du phénotype. Nous avons appris précédemment que l environnement peut provoquer par des agents mutagènes l apparition de nouveaux allèles. Ces derniers peuvent alors modifier un ou plusieurs caractères phénotypiques. Qu en est-il des interactions entre environnement et phénotype pour un génotype donné? Activité 5 Relations entre phénotype, génotype et environnement. Ex : La drépanocytose Mobiliser ses connaissances. Extraire et organiser des informations Le document 6 présente l électrophorèse de l hémoglobine de trois individus X, Y et Z, présentant ou non des signes cliniques de la drépanocytose. 40

40 Document 6 Electrophorèse de l hémoglobine + sujet X sujet Y sujet Z Après avoir rappelé le principe de l électrophorèse, retrouver le ou les type(s) d hémoglobine(s) possédé(s) par les différents sujets. Compléter le tableau suivant : Phénotype de l individu X sain Y sain Z anémié Génotype Allèles et chromosomes homologues (schématiser les chromosomes et positionner les allèles) Document 7 Le déclenchement des crises drépanocytaires L hémoglobine peut se combiner de façon réversible au dioxygène selon la réaction : Hb Hb0 2 La formation d agrégats fibreux d HbS (et donc la déformation caractéristique des hématies) se fait quand elle est désoxygénée. Ce processus d agrégation faisant diminuer l oxygénation du sang, il en résulte une croissance rapide des agrégats. Une augmentation de la température interne favorise également l agrégation. Ces deux facteurs (cumulés ou non) peuvent donc favoriser le déclenchement d une crise drépanocytaire. HbA dans une hématie normale HbA dans une hématie falciforme (dans certaines conditions de milieu) 41

41 Tout facteur de l environnement qui tend à faire diminuer l oxygénation du sang est donc à éviter chez un individu malade. Ces facteurs favorisant une crise drépanocytaire sont de plusieurs ordres : La déshydratation qui fait perdre de l eau aux cellules et donc aux hématies. Dans ce cas, le sang est moins fluide et donc moins oxygéné. Le drépanocytaire urine davantage qu un individu sain. Il doit donc boire beaucoup. Le ralentissement de la circulation sanguine qui peut bloquer les hématies dans les plus petits capillaires sanguins. Des vêtements trop serrés, une fièvre, le froid qui fait diminuer le diamètre des vaisseaux sanguins sont quelques facteurs ralentissant la circulation. La consommation excessive de dioxygène : Les efforts musculaires font produire de l acide lactique qui favorise la formation de «bouchons» d hématies. Un environnement appauvri en dioxygène : En altitude la pression atmosphérique plus faible fait diminuer le taux de dioxygène dans l air. Le tabac fait diminuer l oxygénation du sang. L alcool déshydrate l organisme. a) À quelles conditions les hématies d une personne subissent-elles la déformation caractéristique de la drépanocytose? Quel(s) sujet(s) est (sont) susceptible(s) de la présenter ici? b) Quels conseils donneriez-vous à un drépanocytaire pour minimiser le risque de déclenchement d une crise? c) Quel que soit l environnement, l expression du gène codant l hémoglobine n est pas modifiée. Dans cet exemple l environnement agit-il sur l expression de l allèle HbS ou sur les propriétés de l HbS? À retenir Le phénotype repose en grande partie sur la combinaison des allèles des gènes impliqués. Outre les facteurs génétiques qui déterminent directement ou non le phénotype, des facteurs de l environnement le modulent le phénotype est donc multifactoriel. Bilan du chapitre L ensemble des protéines présentes dans une cellule dépend du patrimoine génétique de la cellule. Une mutation peut être à l origine d un allèle qui code une protéine différente. 42

42 Le phénotype macroscopique dépend du phénotype cellulaire, lui-même induit par le phénotype moléculaire. Le phénotype moléculaire des êtres vivants dépend souvent de l expression de plusieurs gènes qui agissent en cascade. L environnement peut agir au niveau du génotype en modulant son expression. La diversité phénotypique au sein d une espèce est donc le résultat d interactions complexes entre la variabilité génétique et des facteurs environnementaux. Schéma bilan Complexité des relations entre génotype et phénotype 1 allèle 1 phénotype Plusieurs allèles 1 phénotype précurseur enzyme A gène protéine fonctionnelle phénotype enzyme B molécule A molécule B phénotype des génotypes différents 1 phénotype un génotype influencé par le milieu 1 phénotype Allèle A Allèle A Allèle A Allèle a Environnement phénotype phénotype A phénotype A 43

43 S ynthèse de la séquence 2 Les gènes, séquences d ADN, sont le support matériel de l information génétique. Ils codent pour la synthèse de protéines, molécules de structure et de fonction responsables de l expression du phénotype d un individu. Le code génétique est le système universel de correspondance entre la séquence de nucléotides d un gène et la séquence en acides aminés d une protéine. La synthèse des protéines passe par deux étapes fondamentales : la transcription dans le noyau de l ADN codant en ARNm et la traduction dans le cytoplasme de l ARNm en protéines. Les protéines fabriquées par une cellule (phénotype moléculaire) dépendent : du patrimoine génétique de la cellule. Une mutation efficace peut être à l origine d une protéine différente ou de l absence d une protéine. de la nature des gènes qui s y expriment sous l effet de facteurs de l environnement. Il est possible de caractériser les différentes échelles d un phénotype : le phénotype macroscopique est la conséquence du phénotype cellulaire lui-même dépendant du phénotype moléculaire. Il y a donc des interactions entre les rôles de l environnement et du génotype dans l établissement d un phénotype. 44

44 E xercices de la séquence 2 Exercice 1 Mobiliser ses connaissances Définir brièvement les termes suivants : Codon Transcription Ribosome Traduction ARNm Rédiger une phrase correctement construite en associant les termes suivants : a) Code génétique Traduction Brin d ADN transcrit Transcription Gène ARN polymérase ARNm Protéine b) Traduction Codon initiateur Initiation Codon stop Terminaison QCM : Entourer la ou les affirmation(s) exacte(s) a) Les ribosomes permettent la transcription b) Les ribosomes permettent la traduction c) Les ribosomes sont dans le noyau d) Les ribosomes sont des cellules e) Les protéines sont traduites dans le noyau f) Les protéines déterminent le génotype g) Les protéines déterminent le phénotype h) Les protéines codent la synthèse de l ARN i) Le code génétique est universel j) Les 64 codons correspondent à 64 acides aminés différents k) Un même phénotype peut correspondre à plusieurs génotypes l) L environnement ne peut pas modifier le phénotype m) Un individu hétérozygote pour un gène en possède 3 allèles n) Un individu homozygote possède 2 allèles de 2 gènes différents Exercice 2 Appliquer ses connaissances Utiliser le document pour : a) Reconstituer, en exposant votre démarche, la portion de gène correspondant. b) Reconstituer, en exposant votre démarche, la séquence des premiers acides aminés correspondante. 45

45 Document Séquence de nucléotides d une molécule d ADN dont seule une portion du brin non transcrit est représentée ci-dessous : G G T A T T G T T C A A C A A T G A a) Une molécule de cytosine remplace la thymine en position 6. Quelle conséquence aura cette mutation sur le polypeptide traduit? b) Même question si une guanine remplace l adénine en position 11. c) Même question si une thymine remplace la cytosine en position 13. d) Même question si une guanine s intercale entre la neuvième et la dixième base. Exercice 3 Extraire et organiser des informations. Raisonner. Appliquer une démarche déductive Une protéine protectrice des poumons : l α-antitrypsine. L élastine est une protéine présente dans la paroi des alvéoles pulmonaires. Elle assure l élasticité des alvéoles pendant les mouvements ventilatoires (inspiration et expiration).l élastine est protégée par une autre protéine fabriquée par le foie : l α-antitrypsine. L emphysème pulmonaire est une maladie caractérisée par la destruction des alvéoles pulmonaires. L air reste alors piégé dans les poumons et est difficilement renouvelé. Les poumons perdent de leur élasticité et la ventilation devient très difficile. Cette maladie est due à des anomalies de l antitrypsine. Huit molécules d antitrypsine ont été identifiées : M 1, M1, M2, M3, S, Z, NULL1 et NULL2. La séquence en acides aminés est présentée ci-dessous. Attention pour chaque variante, on a représenté le début, la fin et 6 extraits intermédiaires de leur séquence. 46

46 Quantité d α antitrypsine dans le sang (en mg.dl-1) Risques de maladie Variante M Non Variante M Non Protéines fonctionnelles. Variante M Non Variante M Non Variante S Protéines fonctionnelles Variante Z mais partiellement détruites par les cellules hépatiques Non Oui (après 50 ans) Variante NULL1 Variante NULL2 Protéines non fonctionnelles, très instables et rapidement détruites. 0 0 Oui (avant 30 ans) Oui (avant 30 ans) Identifier les phénotypes macroscopique et cellulaire associés à l emphysème pulmonaire? Sur quelle molécule reposent-ils? Construire un tableau pour comparer la séquence des 8 variantes de l α-antitrypsine. Prendre comme référence M 1. Montrer qu un phénotype macroscopique sain peut être associé à des phénotypes moléculaires différents. Montrer qu un phénotype macroscopique malade peut être associé à des phénotypes moléculaires différents. Que peut-on en déduire sur la relation structure/fonction d une protéine. 47

47 G lossaire des séquences 1 et 2 Acide aminé : Molécule possédant une fonction acide (radical COOH) et une fonction amine (radical NH 2 ). Addition : Mutation d un gène par ajout (insertion) d un nucléotide dans la séquence. ADN : Acide désoxyribonucléique. Macromolécule formée de 2 brins. Chaque brin est une séquence de 4 nucléotides différents caractérisés par leur base azotée : A, C, T et G. Les 2 brins sont associés sur toute leur longueur par complémentarité de bases : A en face de T et C en face de G. ADN polymérase : Complexe enzymatique nécessaire à la réplication de l ADN lors de la phase S de l interphase. Allèle : Version d un gène localisé sur le même site d un chromosome. Les allèles d un même gène se différencient par leur séquence de nucléotides. ARNm : Acide ribonucléique messager. Macromolécule formée d une séquence de 4 nucléotides différents caractérisés par leur base azotée : A, C, G et U. ARN polymérase : Complexe enzymatique nécessaire à la transcription du brin transcrit de l ADN. Autoradiographie : Technique permettant de localiser des molécules dans une cellule par la révélation d atomes radioactifs incorporés dans ces molécules. La préparation est placée sur une pellicule photographique qui est impressionnée par les rayonnements à l endroit où se trouvent les molécules radioactives. Brin transcrit : Brin de l ADN qui sert de matrice à la formation de l ADN lors de la transcription. Caryotype : Garniture chromosomique d une cellule. Cellule germinale : Cellule sexuelle ou gamète. Cellule somatique : Cellule autre qu un gamète. Centromère : Zone de jonction entre les 2 chromatides d un même chromosome. Chromatide : Élément issu de la duplication d un chromosome et formé d une molécule d ADN. Chromatine : État décondensé de l ADN lors de l interphase. Chromosome : Structure condensée de l ADN. Un chromosome est formé d une ou deux chromatides selon le moment du cycle cellulaire. 48

48 Code génétique : Système de correspondance entre la séquence de nucléotides d un gène et la séquence d acides aminés de la protéine qu il code. Le code génétique est redondant et universel. Codon : Séquence de 3 nucléotides ou triplet, portée par l ARNm correspondant à un acide aminé ou à un codon stop ou non-sens. Il existe 64 codons différents. Cycle cellulaire : Ensemble des étapes se déroulant dans une cellule depuis sa formation jusqu à sa division. Il comporte une interphase durant laquelle il y a réplication de l ADN et une mitose correspondant à sa division en deux cellules filles. Délétion : Perte d une partie du matériel génétique. Elle peut concerner la perte d un couple de bases ou d une portion plus large d un chromosome. Drépanocytose : Maladie héréditaire du sang se caractérisant par la synthèse d une hémoglobine anormale rigidifiant les hématies. Également nommée anémie falciforme. Électrophorèse : Technique permettant de séparer les molécules d un mélange placé dans un champ électrique. Le déplacement des molécules entre cathode et anode dépend de leur charge électrique et de leur masse moléculaire. Élongation : Étape de la traduction correspondant à l assemblage des acides aminés d une protéine. Épissage : Étape de maturation d un ARNm. Elle correspond à l élimination des introns (séquences non codantes) d un ARM pré-messager et à la soudure des exons (parties codantes). Eucaryote : Type de cellule possédant un noyau différencié et des organites intracytoplasmiques. On l oppose à la cellule procaryote sans noyau ni organites. Gène : Séquence d ADN situé à un endroit précis d un chromosome (locus) appelée à être transcrit en ARNm puis traduit en protéine. Génotype : Ensemble des gènes porté par les chromosomes. L expression du génotype est responsable du phénotype. Hétérozygote : Individu possédant 2 allèles différents pour un même gène. Homozygote : Individu possédant 2 allèles identiques pour un même gène. Initiation : Étape de début de traduction d une protéine. L initiation débute toujours par un codon AUG qui code la méthionine. Insertion : Voir addition. Interphase : Étape du cycle cellulaire correspondant à l état décondensé de l ADN sous forme de nucléofilaments constituant la chromatine diffuse. Durant l interphase a lieu la réplication de l ADN. 49

49 Inversion : Cassure d un morceau de chromosome suivie de sa ressoudure au même endroit mais de façon inversée. Mitose : Étape de la division d une cellule mère en deux cellules filles succédant à l interphase. Elle comporte 4 étapes (prophase, métaphase, anaphase, télophase) permettant une conservation qualitative et quantitative de l information génétique dans les cellules filles. Mutation : Modification spontanée ou provoquée de la séquence nucléotidique d un gène. Une mutation conservée d un gène est à l origine d un nouvel allèle de ce gène. Nucléotide : Molécule unitaire d un acide nucléique. Il en existe 4 qui diffèrent par la nature de leur base azotée : A, C, G et T pour l ADN ou U pour l ARN. Œil de réplication : Zone dans laquelle l ADN est répliquée au sein d une plus grande zone où il ne l est pas encore. En fin de réplication, tous les yeux de réplication se sont rejoints et il en résulte 2 molécules d ADN unies par un centromère. PCR : Polymerase Chain Reaction = réaction de polymérisation en chaîne. Technique qui à partir d une seule séquence d ADN permet d obtenir un clone de plusieurs millions de séquences identiques. Phénotype : Caractères d un individu résultat de l expression du génotype. Il s exprime au niveau moléculaire, cellulaire et macroscopique. Polyallélisme : État d un gène qui existe sous différents allèles issus de mutations de ce gène. Polypeptide : Molécule formée d un assemblage d acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Polysome : Ensemble de ribosomes reliès par une molécule d ARNm en cours de traduction. Protéine : Polypeptide de plus de 20 acides aminés. Réplication : Processus de copie conforme de l information génétique portée par l ADN. Elle est dite semi-conservative car les 2 molécules filles issues de la réplication d une molécule mère possèdent un brin de la molécule mère et un brin néoformé. Reticulum endoplasmique granuleux (REG) : Système membranaire du cytoplasme formant des cavités communicantes associé à des ribosomes. Le REG intervient dans la synthèse des protéines. Ribosome : Organite cytoplasmique de lecture de l ARNm. Il permet la traduction codon par codon et l assemblage des acides aminés au cours de la traduction. Structure primaire : Séquence linéaire d acides aminés d une protéine. Structure tertiaire : Configuration spatiale ou tridimensionnelle d une protéine par interaction entre différents acides aminés la constituant. 50

50 Substitution : Mutation d un gène par remplacement d un nucléotide dans la séquence. Terminaison : Étape de la traduction correspondant à la fin de la synthèse d une protéine par lecture d un codon stop. Thalassémie : Maladie sanguine héréditaire sévère dont les symptômes sont proches de ceux de la drépanocytose. Traduction : Décodage de l information génétique portée par un ARNm en une protéine. Transcription : Copie du brin transcrit d un gène en une séquence complémentaire d ARNm. Translocation : Transfert d un chromosome ou d une partie de celui-ci sur un autre chromosome. Elle est équilibrée quand la totalité du matériel génétique est conservée et déséquilibrée dans le cas contraire. 51