Licence pluridisciplinaire Jean-Olivier Irisson EXAMEN DE BIOLOGIE

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1 EXAMEN DE BIOLOGIE La concision, la qualité de l'expression et de l'orthographe des réponses seront particulièrement appréciées. L'attention portée aux schémas et dessins ainsi que le respect des conventions de représentation vues en TD seront également notées. Ces critères comptent pour 10 points sur 100. Le raisonnement permettant d'arriver à chaque réponse a le même poids au niveau de la note que la réponse elle-même. 60 m 9 p Exercice 1: 1.1 De l'adn à la protéine Du gène au phénotype: l amylase salivaire L'amylase est une protéine présente dans la salive qui participe à la digestion de l'amidon. Sur l'adn de la souris on cherche le gène associé à cette protéine. Une zone de l'adn semble être porteuse de ce gène. Plusieurs parties de sa séquence sont présentées dans la Figure 1.. Les pointillés correspondent à des zones auxquelles on ne s'intéresse pas ici. L'ARN polymérase lit cette séquence de la gauche vers la droite. Elle débute au début de la séquence signal d'accrochage et finit à la fin de la séquence signal de décrochage. Écrivez la séquence d'arnm correspondante. Écrivez ensuite la séquence d'acides aminés de la protéine associée en utilisant vos connaissances sur la synthèse protéique ainsi que le code génétique fourni dans la Figure 1.. Nommez les deux phénomènes que vous venez de représenter dans les cadres appropriés. 1. Phénotype et génotype, l importance du niveau moléculaire On dispose de 4 souris: A, B, C et D. Leur salive est dans tous les cas capable de dégrader l'amidon. On purifie chez chacune leur amylase salivaire. On dépose alors ces 4 extraits purifiés sur un gel d'électrophorèse. Après application d'un champ électrique les molécules migrent du pôle négatif vers le pôle positif d'autant plus rapidement qu'elles sont petites. Une coloration présentée par la Figure 1.1 met en évidence trois molécules différentes: L (la forme à migration Lente), R (la forme à migration Rapide) et M (la forme à migration intermédiaire). Les souris ont-elle le même phénotype macroscopique (au niveau de la capacité à dégrader l'amidon)? Justifiez votre réponse. Oui les souris sont toutes capables de dégrader l'amidon: elles ont toutes une amylase salivaire fonctionnelle. Les souris ont-elle le même phénotype moléculaire? Pourquoi? Non les souris n'ont pas le même phénotype moléculaire car l'électrophorèse met en évidence le fait que toutes les protéines ne migrent pas à la même vitesse: elles sont donc différentes. Comment expliquer les différences de vitesse de migration des protéines? On peut supposer que les protéines n'ont pas la même taille et ne migrent donc pas à la même vitesse Figure 1.1: Électrophorèse de l'amylase salivaire de 4 souris (A,B,C,D) Page 1

2 6 Figure 1.: Le code génétique Figure 1.: Séquence de l'amylase salivaire de la souris Page

3 La séquence étudiée précédemment correspond à la forme L. On s'intéresse maintenant aux séquences équivalentes pour les formes M et R. Dans la séquence de la forme M on identifie deux substitutions: 1. à la position 8, C est remplacé par T. à la position 85, A est remplacé par T Marquez ces mutations et leurs conséquences sur la Figure 1. en utilisant une couleur différente. Quelle est la conséquence la première substitution au niveau de la chaîne polypeptidique? Quel est la caractéristique du code génétique qui permet ce phénomène? Rien, la mutation est dite silencieuse. L'acide aminé codé par les deux codons (original et après mutation) est le même. Ceci est du à la redondance du code génétique. Quelle est la conséquence de la seconde substitution? À partir de ce résultat expliquez le comportement de la forme M en électrophorèse. Apparition d'un codon STOP. La protéine formée est donc plus courte, elle migre plus loin. La protéine M est-elle toujours une enzyme fonctionnelle? Pourquoi? La protéine M est toujours fonctionnelle car sa partie active n'est pas touchée par les mutations. Dans la séquence de la forme R on identifie: 1. une délétion de 6 bases, de la position à la position 59 incluses. La position 59 est au milieu du site actif de l'enzyme.. une substitution à la position 70, de G par T. Étudiez les conséquences de ces mutations et expliquez le comportement de la protéine R sur l'électrophorèse. La délétion de 6 bases supprime 6/=1 acides aminés mais ne décale pas le cadre de lecture car elle commence au niveau de la première base d un codon et supprime un nombre de base multiple de, donc un nombre entier de codons. La substitution fait apparaître un codon STOP. La protéine formée est donc plus courte que la forme L et même plus courte que la forme M, ce qui explique qu'elle migre plus loin. La forme R n'est pas fonctionnelle du fait de la délétion d'un partie de la zone active de l'enzyme. Pourtant nous avons vu que la salive des trois souris est capable de dégrader l'amidon. Expliquez pourquoi et à quoi cela correspond au niveau allélique. Toutes les souris ont au moins une forme fonctionnelle d'amylase. A est homozygote L/L qui est une protéine fonctionnelle. B est hétérozygote L/R et L est fonctionnelle. C est hétérozygote M/R et M est fonctionnelle. D est hétérozygote L/M et les deux formes sont fonctionnelles. La seule salive non fonctionnelle serait celle d'une souris homozygote R/R Page

4 Cet exemple vous montre qu'à un phénotype macroscopique peuvent correspondre plusieurs phénotypes moléculaires et plusieurs génotypes. En le justifiant, donnez un autre exemple, vu en cours ou pas, du fait qu'à un phénotype peuvent être associés plusieurs génotypes. Exemple vu en cours: les groupes sanguins sont déterminés par la présence de molécules à la surface des hématies. Il existe allèles: A qui donne une protéine A, B qui donne une protéine B et O qui ne donne aucune protéine. Le groupe A est caractérisé par la présence de la protéine A seule sur la membrane. Les génotypes associés au phénotype A peuvent être AA ou AO. À l'inverse, un seul génotype peut être associé à plusieurs phénotypes. Expliquez un exemple de ce phénomène et mettez en valeur le facteur qui est à l'origine de la diversité phénotypique. Nous avons vu en cours que sur même pied d'hortensia (même génotype) les fleurs peuvent être de couleur différentes (phénotype différent). Ceci est dû à une concentration differente en oxyde de fer dans chaque fleur. Cet oxyde de fer est puisé dans le sol et le facteur à l'origine des différences phénotypiques est donc l'environnement (ici la répartition de l'oxyde de fer dans le sol). 0 m 14 p Exercice : Le codage du message nerveux: exemple des antennes du Bombyx Figure.1: Photographie de Bombyx mâle Le Bombyx est un papillon de nuit dont les mâles possèdent des antennes très développées (Figure.1) et couvertes de récepteurs sensoriels sensibles aux «odeurs». Un récepteur sensoriel est une cellule spécialisée capable de capter un stimulus précis, ici des odeurs, c'est-à-dire des molécules chimiques présentes dans l'air. Le Bombyx mâle, grâce à ses antennes, est particulièrement sensible à une molécule émise par les femelles et vole alors vers elles. Le signal odoriférant est transmis par des fibres nerveuses à un centre nerveux central où il est analysé et où une réponse appropriée est formée. On enregistre l'activité électrique de fibres nerveuses sensorielles en réponse à un stimulus (une concentration de molécules de femelles) de plus en plus importante dans l'air. Les résultats vous sont présentés sur la Figure.. Que pouvez vous remarquer lorsqu'il n'y a pas de stimulus (premier cas). Proposez une hypothèse pour interpréter cette observation? Même lorsqu'il n'y a pas de stimulus, la fibre nerveuse à une activité de base. Nous pouvons faire l'hypothèse que cette activité correspond à la réception d'autres signaux chimiques (odeurs) que celui de la molécule femelle. Page 4

5 Figure.: Réactions des fibres nerveuses sensitives (A) à des stimulations (B) de plus en plus intenses des récepteurs sensoriels La réaction de la fibre nerveuse se fait sous forme de pics. En comparant le nombre et la répartition des pics dans les derniers cas que pouvez vous conclure sur le codage du message sensoriel dans la fibre nerveuse? Plus l'intensité de stimulation est importante plus les pics sont rapprochés et nombreux. En revanche l'amplitude de ces pics est toujours identique. L'intensité du message est sensoriel est donc codée en fréquence dans la fibre nerveuse. Comment se nomme une réaction électrique de la fibre nerveuse (un pic) et quelles sont ses caractéristiques? Un pic est nommé potentiel d'action. Sa caractéristique principale est de répondre à la loi du tout ou rien: si le stimulus est faible (en dessous d'un seuil) il ne provoquera aucune réaction, si le stimulus est suffisant, il provoquera un potentiel d'action, si l'intensité du stimulus augmente encore, il provoquera des potentiels d'action d'amplitude exactement identique mais plus rapprochés dans le temps. Comme nous l'avons vu au dessus, le message est codé en fréquence de potentiels d'action. La transmission du message électrique fait intervenir plusieurs neurones qui entrent en contact les uns avec les autres. La micrographie de la Figure. vos présente un de ces contacts. Donnez le nom d'une telle structure cellulaire et faites-en un schéma interprétatif légendé. Le schéma et ses légendes doivent également détailler son fonctionnement. Page 5

6 Figure.: Contact entre deux neurones 7 Un contact entre deux neurones se nomme synapse. Page 6

7 15 m 9 p Exercice : Contrôle de la production des gamètes mâles À partir de l exploitation rigoureuse des expériences présentées dans le document ci-contre et en vous aidant éventuellement de vos connaissances, dégagez le rôle de l hypophyse dans le fonctionnement des testicules. Vous commencerez par exploiter les expériences (dans l'ordre qui vous semble le plus logique). Vous résumerez ensuite ces conclusions sous la forme d un schéma. 9 L'expérience 1 consiste à retirer l'hypophyse d'un mammifère mâle. Ceci a pour conséquence une atrophie des testicules et un arrêt de la production de testostérone et de spermatozoïdes. Nous pouvons donc faire l'hypothèse que l'hypophyse est un organe qui contrôle l'activité testiculaire, en particulier la spermatogenèse et la production de testostérone. L'expérience 4 consiste à retirer l'hypophyse et à injecter des extraits hypophysaires, c'est à dire de la LH et de la FSH. Dans ce cas, l'injection restaure le volume testiculaire, la production de testostérone et celle de spermatozoïdes. Nous pouvons donc penser que la LH et la FSH sont les substances à l'origine de l'activité de l'hypophyse sur les testicules. Ce sont des hormones étant donné qu'elles agissent à distance par voie sanguine. L'expérience consiste à retirer l'hypophyse et à injecter une partie seulement des extraits hypophysaires: uniquement de la LH. On constate dans ce cas que les cellules interstitielles sont a nouveau fonctionnelles mais pas la spermatogenèse. La LH est une hormone qui n'agit que sur les cellules interstitielles et donc contrôle la production de testostérone. Cependant elle ne semble pas agir directement sur la spermatogenèse. L'expérience consiste à retirer l'hypophyse et à n'injecter cette fois que de la FSH. Dans ce cas, nous assistons à la restauration du volume testiculaire mais la spermatogenèse n'aboutit pas. La FSH est une hormone qui stimule les tubes séminifères et les rend aptes à produire des gamètes. Cependant, seule elle n'est pas suffisante pour que la spermatogenèse aboutisse. La testostérone est en fait également nécessaire. Or la production de testostérone est contrôlée par le taux de LH. La LH agit donc de manière indirecte sur la spermatogenèse. Page 7

8 15 m 8 p Exercice 4: Les chaînes de l'hémoglobine L'hémoglobine est une protéine des globules rouges des Vertébrés qui leur permet de transporter le dioxygène. Comme nous l'avons vu en cours, cette molécule est formée de deux chaînes et et de deux chaînes. Les chaînes sont assez similaires chez tous les Vertébrés tétrapodes. Une partie de leur séquence est comparée dans la Figure 4.1. Les lettres représentent des acides aminés, les traits signifient que l'acide aminé est identique à celui de la chaîne de l'homme (qui est écrite en entier) à la même position. Figure 4.1: Comparaison des séquences de la chaîne ß de l'hémoglobine chez différents Vertébrés tétrapodes Comparez deux à deux les séquences d'acides aminés et reportez le nombre de différences dans le tableau ci dessous. Homme 0 Autruche 0 Chimpanzé 0 Chat 0 Homme Autruche Chimpanzé Chat À partir de ces informations construisez l'arbre phylogénétique de ces 4 espèces. Homme Chimpanzé Chat Autruche Quel est le groupe frère de l'homme d'après ces informations? 1 Le groupe frère de l'homme est le Singe car il partage plus de points communs (toute la séquence en fait) avec lui qu'avec les autres espèces. Les hémoglobines des Vertébrés tétrapodes sont elles ancestrales ou apparues indépendamment? Justifiez. Est il alors approprié de les utiliser pour construire un arbre phylogénétique? Les chaînes sont des molécules très proches et présentes chez tous les Vertébrés tétrapodes il est donc plus parcimonieux de considérer qu'elles sont héritées d'un ancêtre commun que de considérer qu'elles sont toutes apparues indépendamment. Elles semblent donc homologues et peuvent être utilisées pour construire un arbre phylogénétique. Page 8

9 5 m 0 p Exercice 5: Évolution de la coloration et prédation chez les guppies Les guppies sont de petits poissons d'eau douce. Les mâles ont des taches de couleurs vives, très voyantes, destinées à attirer les femelles. Le nombre de taches est héritable et varie selon les individus, c'est-à-dire que certains poissons ont peu de taches et donnent naissance à des poissons ayant eux aussi peu de taches alors que d'autres sont très colorés et donnent naissance à des individus portant eux aussi de nombreuses taches de couleur. En utilisant les informations sur la transmission du nombre de taches entre les générations, expliquez par quoi il est contrôlé? Le nombre de taches est héritable, c'est à dire que l'information passe d'une génération à l'autre. La seule information passant d'une génération à l'autre est l'information génétique. Le nombre de taches est donc déterminé génétiquement, au moins en partie. Nous menons une expérience suivant l'évolution du nombre moyen de taches chez les mâles au cours du temps dans des populations guppies. Deux bassins présentant des conditions de vie proches du milieu naturel sont préparés et un nombre égal de guppies femelles est introduit dans chaque bassin. Deux populations de mâles identiques sont ensuite introduites: chacune contient 5 individus à 5 taches (individus Peu colorés = individus P) et 5 individus à 15 taches (individus Très colorés = individus T). Quel est le nombre moyen de taches par individu mâle dans les populations de départ? 1 Le nombre moyen de taches par individu dans cette population est : (5*5 + 5*15)/(5+5) = 10 taches/individu. Tous les deux mois, les individus se reproduisent, donnant naissance à une nouvelle génération, puis les parents meurent. Des femelles sont toujours présentes et nous ne nous intéressons dans la suite qu'aux mâles. Chaque parent mâle donne un descendant mâle, sauf deux parents mâles T qui sont plus efficaces au moment de la reproduction et qui donnent deux fois plus de descendants. Pourquoi les mâles T se reproduisent plus que les mâles P? Les taches servent à attirer les femelles. Un poisson ayant beaucoup de taches se reproduira donc plus qu'un poisson portant peu de taches. La Figure 5.1 montre ce qui se passe pour la population du bassin 1 à la première génération (au bout de deux mois). Complétez la figure jusqu'à la génération 10 (0 mois). Pour plus de facilité, vous pouvez représenter les individus P comme un cercle vide et les individus T comme un cercle coloré. Calculez le nombre moyen de taches par individu à la génération (6 mois) et à la génération 10. Figure 5.1: Représentation d'une population sans prédateurs Page 9

10 Tracez un graphique du nombre moyen de tache par individu en fonction du temps à partir des trois points pour lesquels vous avez fait le calcul (0, 6 mois et 0 mois). Nous voulons maintenant étudier l'effet de l'introduction d'un prédateur. En effet les mâles colorés sont plus voyants et donc potentiellement plus vulnérables face aux prédateurs. Après la troisième génération (après 6 mois) un prédateur est introduit dans le bassin. À partir de ce moment, le prédateur tue individus T avant qu'ils ne se reproduisent à chaque génération. Dans les individus restants, l'avantage à la reproduction reste présent. De même que précédemment, représentez ce qui se passe sur la Figure 5. et calculez le nombre moyen de tache par individu mâle au bout de 0 mois. Figure 5.: Représentation d'une population avec un prédateur Rajoutez la population dans laquelle le prédateur a été introduit sur le graphique construit précédemment. Sur quels paramètres agit la sélection naturelle dans les deux cas précédents? Justifiez. Dans les deux populations, la reproduction est un premier facteur sur lequel la sélection agit: les T sont favorisés. Dans le cas avec prédateur, la sélection naturelle joue également sur la survie: les T survivent moins. Quelle autre force évolutive peut faire varier les fréquences des allèles et donc des phénotypes correspondants dans une population? Comparez la vitesse de son effet à celui de la sélection naturelle d'après vos connaissances. L'autre force évolutive qui peut faire évoluer les fréquences alléliques est la dérive génétique. Elle agit globalement moins vite que la sélection naturelle. Page 10