Thème 1 : La Terre dans l Univers, la Vie et l évolution du vivant. Partie 1 : Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique

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1 Thème 1 : La Terre dans l Univers, la Vie et l évolution du vivant Partie 1 : Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique Chapitre d introduction : Rappels Rappels : Les chromosomes présents dans le noyau sont le support de l information génétique. Chaque cellule d un individu de l espèce humaine possède 23 paires de chromosomes. Les cellules qui composent un individu contiennent toutes la même information génétique que celle de la cellule-œuf dont elles proviennent par divisions successives. Chaque chromosome contient de nombreux gènes. Un gène peut exister sous différentes versions appelées allèles. Chaque gène est porteur d une information qui détermine l un des caractères héréditaires. Chaque chromosome est constitué d ADN. L ADN est une molécule de très grande dimension, composée de très nombreuses petites unités appelées nucléotides. Il existe quatre nucléotides différents, identifiés par les lettres A, C, G et T. La molécule d ADN est constituée de deux chaînes entrelacées. Chaque nucléotide A d une chaine est associé à un nucléotide T sur l autre chaine. De même, C est toujours associé à G. Les deux chaines d une molécule d ADN sont complémentaires. Chez toutes les espèces, les gènes sont constitués d une longue séquence de paires de nucléotides A, T, C, G. Cependant, d un gène à l autre, les nucléotides ne se succèdent pas dans le même ordre. C est l ordre dans lequel se succèdent les nucléotides qui constitue l information génétique. Celle-ci est donc codée. L ADN n est pas immuable : la diversité génétique repose sur la variabilité de l ADN. TP 1 : Les étapes de la mitose L identité biologique de tout organisme est acquise lors de la formation du zygote (cellule-œuf). Elle résulte de la combinaison de l information génétique apportée par les gamètes mâle et femelle lors de la fécondation. Depuis l œuf, elle est transmise inchangée à toutes les cellules de l organisme au cours des générations cellulaires qui se succèdent : chaque cellule qui se divise transmet aux deux cellules filles l intégralité de son information génétique. Problèmes : Par quels mécanismes une cellule mère se divise-t-elle en deux cellules fille? Que devient l information génétique d une cellule au cours de ce mécanisme? Pour résoudre le premier problème, on commencera par observer et décrire la division cellulaire ou mitose. Pour cela, on choisit un organe en croissance rapide, de petite taille pour faciliter l observation microscopique. Le matériel biologique choisi est constitué par de jeunes racines obtenues à base d oignons lorsqu ils sont placés dans l eau. La croissance est rapide (quelques millimètres par jour). Elle résulte des mitoses se produisant dans une zone de croissance située juste en dessous de l extrémité. On appelle cycle cellulaire la période allant d une division à la division suivante. Il est divisé en deux phases. Une phase de mitose au cours de laquelle une cellule se divise et une interphase au cours de laquelle la cellule exerce son activité spécialisée. Dans la vie de chaque cellule, interphase et mitose se succèdent régulièrement. Manipulation : Protocole : Prélever l extrémité de deux racines (5 millimètres environ) à l aide de ciseaux. Les déposer sur une lame de verre.

2 Recouvrir les échantillons d HCl (ce qui facilitera la dissociation des cellules). Laisser agir 5 minutes puis absorber l acide, sans déplacer les échantillons. Recouvrir les échantillons avec la solution d orcéïne acétique et laisser agir 15 minutes. Absorber le colorant avec le papier absorbant, sans abimer les échantillons. Recouvrir d une goutte d acide acétique à 45% puis poser une lamelle dessus. Ecraser doucement avec le pouce après avoir recouvert la lamelle d une feuille de papier filtre. Observer au microscope Etude de la préparation au microscope optique : Parcourir la préparation en déplacement très lentement la lame sur la platine du microscope au grossissement faible ou moyen. Chercher des figures de mitose (en général les cellules restent groupées si la dissociation n a pas été excessive). Lorsqu elles sont trouvées, chercher plusieurs stades différents de la mitose reconnaissables à l aspect et à la disposition différente des chromosomes. Observer attentivement les cellules en mitose. Si votre préparation n est pas exploitable, continuer avec une lame du commerce. Tâche complexe : A partir des observations et des documents, suivez le comportement des chromosomes et montrez en quoi la mitose permet la conservation du nombre de chromosomes. Vous produirez un texte illustrés de schémas légendés, la cellule mère comportant trois paires de chromosomes homologues. Pour vous guider, observez les quatre phases de la mitose : Prophase 2. Métaphase 3. Anaphase 4. Télophase

3 TP 2 : La réplication de l information génétique Problème n 1 : A quel moment s effectue la réplication 1. Etude d autoradiographies au cours du cycle cellulaire Questions : A quel stade du cycle cellulaire les chromosomes ont-ils fixé la molécule radioactive? Les chromosomes ont fixé la molécule radioactive lors de l interphase. Elle ne peut se faire qu entre deux divisions. Expliquer ce qu il s est passé entre les photos a et b. Entre les photos a et b, il y a eu une division cellulaire aboutissant à la formation de chromosomes à une seule chromatide dans les deux nouvelles cellules filles Au cours de l interphase, une nouvelle

4 chromatide s est formée sur chaque chromosome alors que le milieu ne contenant pas de thymine radioactive. Ceci explique que chaque chromosome est formé de l ancienne chromatide restée radioactive et d une chromatide néoformée non radioactive. 2. Etude de la quantité d ADN au cours de la vie cellulaire Questions : Que montre le document 3? Que se passe-t-il au moment de la mitose? Et entre chaque mitose? Le document 3 montre l évolution de la quantité d ADN au cours du cycle cellulaire. Au moment de la mitose, il y a division par deux de la quantité d ADN et entre chaque mitose, il y a multiplication de la quantité d ADN.

5 Sur le graphique du document 3, en utilisant les données du document 4, situer les différentes phases du cycle cellulaire. A = G 1 : Intervalle entre la mitose et la synthèse de l ADN B = S : Synthèse de l ADN C = G 2 : Intervalle entre la synthèse d ADN et la mitose D = M : Mitose 3. Bilan La réplication de l ADN s effectue lors de l interphase au cours de la phase S (synthèse) du cycle cellulaire. Problème n 2 : Quel est le principe de la réplication de l ADN? Avant toute division cellulaire, la quantité d ADN double et chaque chromosome apparait constitué de deux chromatides. Trois hypothèses ont été émises pour expliquer comment le doublement de la quantité d ADN permet la formation de deux chromatides d un chromosome dupliqué à partir d une molécule mère. Formation d une nouvelle molécule : modèle conservatif Formation d un nouveau brin : modèle semi conservatif Formation de «morceaux» : modèle dispersif

6 Des chercheurs, Meselson et Stahl (1958) ont essayé d éprouver ces hypothèses en réalisant cette expérience : Dès la découverte de la structure de l ADN par Watson et Crick, en 1953, les deux chercheurs ont imaginé que cette double spirale puisse s ouvrir, permettant ainsi la synthèse de nouveaux bruns à partir des brins originaux. En 1958, Meselson et Stahl cherchent à comprendre comment s effectue cette copie conforme de l ADN. Leurs expériences sont réalisées sur la bactérie Escherichia Coli qui se multiplie activement quand elle est cultivée sur un milieu favorable et réplique alors intensément son ADN. Les bactéries sont cultivées dans deux milieux différents : l un contient des nucléotides «légers» intégrant de l azote «léger» 14 N, l autre des nucléotides «lourds» intégrant l isotope «lourd» 15 N de l azote. Des bactéries d abord cultivées depuis de nombreuses générations sur un milieu contenant des «nucléotides 15 N», sont prélevées et transférées sur un milieu normal, à «nucléotides 14 N». A chaque étape, l ADN de bactéries en culture est extrait et centrifugé à grande vitesse dans un tube contenant une solution de densité appropriée. Après centrifugation, l ADN se stabilise ainsi à un niveau correspondant à sa densité (schéma ci-contre). Questions : Analyser cette expérience. Quelle hypothèse confirme-t-elle? L hypothèse de semi-conservation est confirmée par cette expérience. Représenter sous forme d un schéma les mécanismes qui interviennent au niveau de l ADN lors des divisions cellulaires affectant trois générations successives dont la première a été cultivée sur un milieu contenant de l azote 15. COURS : I- Un même programme génétique dans toutes les cellules Certains caractères des individus dont issus de leurs parents : ce sont des caractères héréditaires. Ils sont déterminés par le patrimoine génétique contenu dans les chromosomes. L environnement interfère dans les caractères, ce qui peut les modifier (exemple : la pigmentation de la peau, déterminée génétiquement mais variable selon l exposition au soleil). Chaque cellule de l espèce humaine contient dans son noyau 23 paires de chromosomes homologues : 22 paires d autosomes et une paire de gonosomes (excepté les cellules reproductrices qui n en contiennent que la moitié). Les chromosomes sexuels sont XX chez la femme et XY chez l homme. Les cellules d un individu contiennent toutes la même information génétique que la cellule œuf (issue de la fécondation) dont elles proviennent toutes par division successives. II- La composition des chromosomes Les chromosomes sont constitués d ADN. Chaque chromosome contient deux molécules d ADN identiques : une molécule par chromatide. L ADN (Acide Désoxyribo Nucléique) est une très longue

7 molécule qui constitue le support de l information génétique. Il est constitué de deux brins enroulés en double hélice. Chaque brin est constitué d une séquence de quatre nucléotides différents : Adénine (A), Cytosine (C), Thymine (T) et Guanine (G). Rappel : Un nucléotide est composé d une base azotée, d un groupement phosphate et d un sucre (le désoxyribose). Les séquences des deux brins s associent selon le principe de complémentarité des bases azotées : A est associé avec T ; G est associé avec C. III- Les gènes Les gènes déterminent les caractères héréditaires : chaque chromosome contient de nombreux gènes. Ce sont des fragments de la molécule d ADN. Chaque gène est porteur d une information qui détermine l un des caractères héréditaires. Cette information est codée par la séquence (l ordre) des nucléotides dans l ADN. Parfois, sous l effet d agents mutagène, l ADN peut subir une modification spontanée et ponctuelle de sa séquence, appelée mutation. Cette modification de la séquence donnera de nouvelles versions appelées allèles. La diversité génétique repose sur cette variabilité de la molécule d ADN.