3 ) La réplication de l ADN.

Transcription

1 Première S - Cours 1 EXPRESSION, STABILITÉ ET VARIATION DU PATRIMOINE GÉNÉTIQUE I. La reproduction conforme des cellules : 1 ) Rappels de génétique : Les chromosomes présents dans le noyau des cellules sont le support de l information génétique. Ils sont constitués d ADN : acide désoxyribo-nucléique. Cette molécule est constituée de deux chaines enroulées en spirale, les deux chaines sont complémentaires grâce aux nucléotides. Le nucléotide A d une chaine est associé au nucléotide T. Le nucléotide C est associé au nucléotide G. Chaque portion d ADN donne une molécule qui intervient dans la construction ou le fonctionnement de l organisme. Ces portions sont appelées gènes. Chaque chromosome contient donc de nombreux gènes. Ces gènes existent sous différentes versions : les allèles. Toutes les cellules d un organisme sont formées à partir d une seule cellule initiale : la cellule œuf. Le nombre de chromosomes est identique dans toutes les cellules d un organisme. De plus, un noyau prélevé sur n importe quelle cellule de l organisme (hormis les cellules sexuelles) contient toutes les informations génétiques de la cellule œuf initiale. Il existe donc des mécanismes assurant le maintien du même caryotype dans toutes les cellules d un individu. 2 ) L activité des cellules en division = la mitose. Chaque cellule produit, suite à sa division, deux nouvelles cellules (cellules-filles) qui possèdent le même matériel nucléaire. La division cellulaire ou mitose conduit à une prolifération des cellules. Le cycle cellulaire d une durée de quelques heures dans les méristèmes enchaîne une interphase, une mitose, et une cytodiérèse. Avant (comme après) chaque division, la cellule est en interphase. La mitose est donc le processus selon lequel est assurée la transmission totale du programme génétique contenu initialement dans la cellule-œuf. Bien qu étant un phénomène continu (30 minutes à 3 heures) on peut distinguer 4 phases : La prophase : (15 min - 1h) condensation de la chromatine formant des chromosomes constitués de 2 chromatides réunies par le centromère. Disparition progressive de l enveloppe nucléaire. Apparition d un fuseau de fibres entre les deux pôles cellulaires (= fuseau mitotique ou achromatique). La métaphase : (quelques minutes) période où on observe un regroupement des centromères dans le plan équatorial du fuseau. L anaphase : (2 à 3 minutes) il existe 2 sortes de fibres (fibres fixes qui guident et fibres de traction ou de propulsion). Séparation des 2 chromatides de chaque chromosome par rupture du centromère. Migration des chromosomes à une chromatide en 2 lots identiques vers chacun des 2 pôles cellulaires. La télophase : (15 à 60 minutes) décondensation des chromosomes à chaque pôle, disparition du fuseau, reformation de l enveloppe nucléaire et division du cytoplasme en 2 cellules filles (cytocinèse).

2 Remarque : les asters proviennent du centrosome dupliqué pendant l interphase (en 2 centrioles). Ceux-ci n existent que dans la cellule animale. De plus, la cytocinèse se fait par constriction annulaire pour la cellule animale et par formation d une paroi pour la cellule végétale. 3 ) La réplication de l ADN. À la fin de la division cellulaire, chaque nouvelle cellule hérite d'un nombre de chromosomes identique à celui de la cellule initiale. Cette conservation du nombre de chromosomes, de cycle cellulaire en cycle cellulaire, est rendue possible par la réplication de l'adn. La réplication de l'adn est donc un mécanisme moléculaire qui permet le doublement de la quantité d'adn avant toute division. C est un mécanisme universel commun aux cellules eucaryotes et procaryotes (bactéries). a- Etude de la variation du taux d ADN au cours d un cycle cellulaire La mitose est précédée d un doublement de la quantité d ADN : phase S La phase G1 correspond à la période de la vie cellulaire pendant laquelle la cellule possède Q ADN La phase G1 correspond à la période de la vie cellulaire pendant laquelle la cellule possède 2Q ADN Graphe montrant l évolution de la quantité et de l aspect d ADN au cours d un cycle cellulaire b- Etude d une expérience historique (Meselson et Stahl) Voir livre page 28 exercice 1 Bilan : La réplication de l'adn s'effectue suivant un mode semi-conservatif; la séquence des bases azotées et donc l'information génétique du brin modèle sont conservées dans la nouvelle molécule d'adn produite après replication. Les chromatides d'un même chromosome, résultat de cette replication, sont identiques entre elles.

3 c- Observation de l ADN en phase S : On observe des yeux de réplication (plusieurs yeux sur la même molécule d ADN). À chaque coin de l œil (fourche de réplication) se trouve un complexe enzymatique. d- Mécanismes moléculaires de la réplication : La réplication s'effectue en plusieurs étapes pendant la période de l interphase qui précède la mitose (phase S). Elle dure environ 8 heures chez les cellules eucaryotes. - les deux brins d'une molécule d'adn (les deux chaînes polynucléotidiques) sont séparés au niveau de leurs bases azotées complémentaires adénine-thymine et guanine-cytosine sous l'action d'un complexe enzymatique spécifique. La double hélice «s'ouvre», formant une «fourche de réplication» ; - deux brins, complémentaires de chaque brin séparé (brin modèle), sont synthétisés grâce à l'action de l'adn polymérase, suivant la loi de complémentarité des bases azotées A-T et C-G. - A la fin de l'interphase, chaque filament chromosomique est dupliqué (phase G2). Le matériel génétique est alors présent sous la forme de paires de filaments, réunis entre eux par un centromère. Chaque paire de filaments se condense peu à peu en chromosome à deux chromatides, et l'enveloppe nucléaire disparaît : c'est la prophase, première étape de la mitose Les deux nouvelles cellules issues de la mitose héritent ainsi du même nombre de chromosomes que la cellule initiale. Chaque chromosome, constitué d'une seule chromatide, se décondense peu à peu ; le retour en interphase (phase G1) permet d'amorcer un nouveau cycle cellulaire. La réplication de l'adn assure ainsi, aux mutations près, une stabilité qualitative de l'information génétique, de génération en génération de cellules. La réplication et la mitose qui lui succède assurent la conservation de la quantité d'adn et de son contenu informatif (les gènes et leurs allèles, donc le génotype) entre toute cellule qui se divise et les cellules qu'elle produit. Ces processus permettent le maintien du génotype au cours d'un cycle cellulaire et expliquent l'existence de clones. II. L expression du patrimoine génétique : 1 ) Relation entre ADN et protéine. Le phénotype d un individu est sous la dépendance des protéines. Ces molécules sont très nombreuses et variées, elles constituent la «boite à outils» permettant d assurer toutes les fonctions ainsi que participer à la fabrication de des constituants de l organisme. Les protéines sont des macromolécules formées par l assemblage d acides aminés. Il existe 20 acides aminés différents, possédant des propriétés chimiques propres (acide, basique, hydrophobe, hydrophile, etc...). Ainsi une chaine polypeptidique (enchainement d'acides aminés) va adopter une forme caractéristique sous l'influence des acides aminés qui la constitue

4 Des expériences de transgénèse montrent qu il existe une relation entre une portion d ADN (=un gène) et l expression d une protéine donnée. Le phénotype d un individu dépend donc de son génotype dont l expression se traduit par la synthèse de protéines. 2 ) Intermédiaire entre ADN et protéine. a- Faits expérimentaux : - L ADN n est présent que dans le noyau des cellules eucaryotes et ne peut en sortir. - La synthèse des protéines se réalise dans le réticulum endoplasmique situé dans le cytoplasme. - Le marquage radioactif de constituants de l ADN et l observation de pores dans l enveloppe nucléaire montrent qu il existe un intermédiaire constitué de nucléotides qui est fabriqué dans le noyau à partir de l ADN et qui sort du noyau par les pores nucléaires pour permettre la synthèse des protéines. Cette molécule est appelée ARN. b- La molécule d ARN L ARN est constitué d une seule chaîne linéaire. La chaîne est un long polymère de 4 structures différentes : les acides ribonucléiques. Les acides ribonucléiques résultent de l assemblage : Différences avec l ADN - d un acide phosphorique - d un ribose - d une base azotée : Adénine, Guanine, Cytosine, Uracile. La comparaison des séquences d ADN et d ARN codant pour la même protéine montre que l ARN est une copie d un des deux brins de l ADN (le nucléotide uracile remplaçant la thymine) On parle alors de brin transcrit de l ADN qui est complémentaire de l ARN. Le mécanisme de copie se fait dans le noyau : c est la transcription. 3 ) La transcription. L'ARN est fabriqué grâce à un complexe enzymatique : l'arn polymérase. L enzyme écarte es deux brins de l'adn au niveau du gène à exprimer. Le brin transcrit servira de matrice à la molécule d'arn. L enzyme permet la fixation des nucléotides libres qui formeront l'arn. La transcription est rapide et plusieurs molécules d'arn sont synthétisées simultanément, constituant autant de copies identiques d'un même gène qui pourront gagner le cytoplasme servant ainsi de messager entre le noyau et le lieu de synthèse des protéines. On observe ainsi des «figures en sapin» interprétées comme un gène parcouru en même temps par plusieurs ARN-polymérases.

5 4 ) Les modifications de l'arn après la transcription. Une expérience d'hybridation entre de l'adn et de l'arn d'un gène montrent que l'arn est plus court que le fragment d'adn du gène qui a été transcrit. À l'issue de la transcription, les ARN ont une séquence complémentaire du gène dont ils sont issus : ce sont des ARN pré-messagers. Ils subissent ensuite un épissage : certains fragments (introns) sont éliminés et les fragments conservés (exons) sont «recollés». Les ARN messagers (ARNm) ainsi obtenus sont exportés dans le cytoplasme. Selon le contexte cellulaire, un même ARN prémessager peut subir des épissages différents. Cet épissage alternatif permet à un même gène de coder pour plusieurs protéines différentes selon les exons retenus pour la constitution de l'arn messager. 5 ) La traduction. La traduction est la transformation d un triplet de nucléotides (= codon) sur une molécule d ARN messager, dont la séquence permettra l assemblage d un acide aminé donné. Cette correspondance est appelé code génétique. La traduction débute par la fixation d un ribosome (sorte d «outil moléculaire» fabriqué à partir d ARN particuliers) au niveau d un codon d initiation (AUG = méthionine) de la molécule d ARNm. Le ribosome se déplace alors par translation de long de la chaîne d ARNm et à chaque codon fait correspondre l acide aminé correspondant. Une liaison peptidique va lier chaque acide aminé avec celui qui le précède (formation d un polypeptide). La traduction prend fin lorsque que le ribosome rencontre un codon-stop ne correspondant à aucun acide aminé. Il se détache et le polypeptide est libéré. Remarque : la fixation de l acide aminé sur le codon se fait par l intermédiaire d un autre «outil moléculaire» : les ARN de transfert (ARNt) qui possèdent un anti-codon complémentaire d un codon et fournissent l acide aminé correspondant au codon selon le code génétique.

6 EXERCICE : Transcription et traduction d un fragment d ADN À partir de la séquence de bases ci-dessous portées sur une portion de molécule d ADN et en supposant que la lecture de l information se fasse de la gauche vers la droite : Ecrire la molécule d ARNm obtenue par transcription. Prédire la séquence d acides aminés de la chaîne peptidique formée. (utiliser le tableau du code génétique fourni.) Brin transcrit C C C T A C C G T C A A A A C C A C G T T G A G G C C A A A G C G A T T G G G G G G A T G G C A G T T T T G G T G C A A C T C C G G T T T C G C T A A C C C G G G A U G G C A G UU UU G G U G C A A C U C C G G UUU C G C U A A C C C ARNm MET -- ALA -- VAL --- LEU ---VAL---GLN --- LEU --- ARG --- PHE---ARG Remarque : Les phénomènes de transcriptions multiples (figures en sapin) produisent une grande quantités d ARN à partir d un gène. Les phénomènes de traductions multiples (plusieurs ribosomes se succèdent sur le même ARN messager) produisent une grande quantité de protéines à partir une seule molécule d ARN Ces deux mécanismes dits d amplification montrent comment une cellule peut produire en très grande quantité une protéine donnée alors qu elle ne possède qu un gène pour cela. Conclusion : Les protéines jouent un rôle fondamental dans la cellule. Leur synthèse se déroule en deux grandes étapes : - Une transcription qui produit une série de copies éphémères d'un gène, les ARN prémessager. Ces ARN peuvent subir en fonction du contexte cellulaire un épissage variable pour donner des ARN messager différents qui gagneront ensuite le cytoplasme. - Une traduction qui grâce à un code de correspondance traduit l'information portée par l'arn m en un enchaînement d'acides aminés (= protéine) Brin transcrit Comment les protéines interviennent-elles dans le phénotype de l individu?