LES PROTÉINES ET L ADN 1. Les gènes portent de l information. De quelle sorte d information s agit-il? L information portée par les gènes représente la séquence des acides aminés (l ordre dans lequel ils se succèdent) d une protéine que l organisme doit fabriquer à partir des acides aminés qu il tire de son alimentation. 2. a) Nommez les deux grands types de protéines. Les deux grands types de protéines sont les protéines de support et les protéines à site actif. b) Pour chacun de ces types, donnez quelques fonctions que peuvent accomplir les protéines. Les protéines de support peuvent faire partie du cytosquelette, où elles sont responsables de la forme de la cellule et des mouvements de sa membrane ou de ses organites. Elles peuvent être sécrétées à l extérieur des cellules pour former la matrice de soutien du tissu (collagène du tissu conjonctif) ou des couches protectrices (kératine de l épiderme). Elles peuvent également former des structures de soutien de l organisme lui-même (os, tendons). Les protéines à site actif ont une forme qui reconnaît une ou quelques molécules spécifiques. Elles peuvent servir au transport de ces molécules, agir comme enzyme, c est-à-dire favoriser une réaction chimique spécifique, ou encore être des hormones (sécrétées par certaines cellules pour modifier le fonctionnement d autres cellules, leurs cellules cibles). c) Déterminez le type des protéines décrites ci-dessous : 1) L élastine est une protéine du derme qui forme des fibres élastiques. Protéine de support. 2) La tyrosinase est une enzyme du métabolisme qui produit la mélanine. Protéine à site actif. 3) Les histones sont des protéines qui s associent à l ADN pour l aider à devenir plus compact. Protéines de support. 4) Les lamines sont des protéines associées à la membrane nucléaire : elles aident à maintenir sa forme. Protéines de support. Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-1 3. L ADN et les protéines sont des polymères, c est-à-dire de grosses molécules formées de sous-unités plus simples. a) Quelles sont les sous-unités des protéines et celles de l ADN? Les protéines sont formées d acides aminés réunis chimiquement. L ADN est constitué de nucléotides réunis chimiquement (chaque nucléotide étant formé d un sucre, d un groupement phosphate et d une base azotée). b) Combien de sortes de ces sous-unités trouve-t-on chez les protéines? Et combien l ADN en contient-il? Il y a 20 sortes d acides aminés chez les protéines et l ADN contient 4 sortes de nucléotides (A, T, G et C). 4. En 1949, Erwin Chargaff a publié des résultats sur les quantités relatives des bases azotées de l ADN de différentes sources animales. Dans le tableau ci-dessous, les valeurs sont des données adaptées afin de faciliter les comparaisons. SOURCE D ADN ADÉNINE THYMINE GUANINE CYTOSINE Thymus de veau 1.7 1.6 1.2 1.0 Rate de bœuf 1.6 1.5 1.3 1.0 Levures 1.8 1.9 1.0 1.0 Bacille de la tuberculose 1.1 1.0 2.6 2.4 a) Quel fait peut-on constater à la lecture des données? On peut constater que les quantités d adénine et de thymine sont égales pour une espèce donnée (mais pas si on les compare d une espèce à l autre). C est également le cas pour la guanine et la cytosine. b) En connaissant maintenant la structure de l ADN, comment peut-on interpréter ce fait? C est l appariement des bases dans les deux brins de l ADN qui est à l origine de ce phénomène. Un A est toujours vis-à-vis d un T, donc la molécule contient le même nombre de A et de T, et un G est toujours vis-à-vis d un C. E-9-2 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-21
5. La molécule d ADN est schématisée ci-dessous. Associez chaque encadré du schéma au terme qui le décrit, parmi les suivants : nucléotide base azotée désoxyribose ponts hydrogène paire de bases groupement phosphate A : ponts hydrogène. B : désoxyribose. C : base azotée. D : groupement phosphate. E : paire de bases. F : nucléotide. 6. Les deux brins de la molécule d ADN sont antiparallèles. a) Que signifie cette caractéristique de l ADN? À cause des liaisons chimiques entre les nucléotides, un brin d ADN a un sens, c est-à-dire des extrémités différentes, notées 5 et 3. Les deux brins sont antiparallèles, ce qui signifie qu ils sont en sens contraire l un de l autre. b) Donnez des exemples de circonstances où cette caractéristique joue un rôle. Cette caractéristique joue un rôle lorsque les polymérases effectuent la transcription ou la réplication : les nucléotides du nouveau brin d ADN ou du brin d ARN sont ajoutés l un après l autre dans le sens 5 vers 3. Le brin qui sert de matrice est donc lu de 3 vers 5. Afin de ne pas créer de confusion, la séquence des nucléotides de l ADN est généralement donnée (par convention) dans le sens 5 vers 3. Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-3 7. Utilisez tous les termes suivants dans un texte qui montre les relations entre eux : nucléotides, génome, gène, ADN, chromosome. L ordre croissant d organisation ou de grandeur doit être clair dans votre texte. L ensemble du matériel génétique d un individu (ou de chacune de ses cellules), son génome, est constitué de plusieurs longues molécules d ADN enroulées en structures plus compactes : les chromosomes. Une molécule d ADN est constituée de deux brins formant une hélice. Chaque brin est en polymère de quatre sortes de nucléotides (A, T, G et C). Un seul chromosome contient plusieurs centaines de gènes (des portions de la molécule d ADN), qui renferment l information requise pour contrôler toutes les fonctions de la cellule. Les gènes ne représentent cependant qu une petite fraction de l ADN total du chromosome. 8. Déterminez la séquence du brin supérieur d ADN. 9. a) Quel acide aminé retrouve-t-on au début de beaucoup de protéines? (Il serait au début de toutes les protéines si celles-ci ne subissaient pas de modifications après la traduction.) C est l acide aminé méthionine (Met). b) Justifiez la présence de cet acide aminé. Il se trouve au début des protéines parce que le codon qui l introduit dans la protéine est également le codon d initiation reconnu par la machinerie de traduction. E-9-4 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc E-9-22 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc
10. L ARN messager associé à un ribosome porte la séquence suivante : 5 -CAAUGUACAAAUUCGCAUAACGGCUC-3 a) En supposant que cette séquence est celle de l ARNm complet, combien d acides aminés la protéine formée compterait-elle? La séquence peut être lue plus facilement si on repère le codon d initiation AUG en premier, donc le cadre de lecture, et qu on sépare les codons ensuite : 5 -CA-AUG-UAC-AAA-UUC-GCA-UAA-CGG-CUC-3. Comme il y a un codon STOP (UAA) dans cette séquence, la protéine ne comptera que cinq acides aminés, en incluant la méthionine. b) Quelle serait sa séquence en acides aminés? La séquence de la protéine sera : Met-Tyr-Lys-Phe-Ala. (Note : une aussi courte protéine se nomme généralement un peptide.) Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-5 L HÉRÉDITÉ 11. Placez les termes suivants aux endroits appropriés dans le texte troué au sujet de l hérédité : homozygote récessif allèles hérédité hétérozygote phénotype caractères dominance génotype lois Le mode de transmission des caractères d une génération à une autre se nomme hérédité. C est en analysant les allèles, les différentes versions que peut prendre un gène, que les lois de l hérédité peuvent être établies. Dans la dominance, un allèle dominant prend le dessus sur un allèle récessif. Le phénotype correspond au caractère qui apparaît chez un individu, alors que le génotype correspond à l ensemble des allèles que possède un individu pour un caractère donné. Si les deux allèles sont identiques, l individu est homozygote. Sils sont différents, l individu est hétérozygote. 12. En croisant une souris noire (numéro 1) et une souris albinos (numéro 2), on obtient 12 souris noires. En croisant la même souris albinos avec une autre souris noire (numéro 3), on obtient cette fois 7 souris noires et 5 souris albinos. Quel est le génotype des trois parents? Souris 1 : souris homozygote dominante. Souris 2 : souris homozygote récessive. Souris 3 : souris hétérozygote. 13. Le premier enfant d un homme au groupe sanguin A et d une femme au groupe sanguin B est de groupe sanguin O. a) Quel est le génotype des deux parents? Père IAi et mère IBi. b) Donnez tous les phénotypes possibles des autres enfants du couple. IAi, IBi, ii, IAIB. E-9-6 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-23
14. Une femme ayant une fossette sur la joue est enceinte d un homme qui n en a pas. Si l homme et la femme sont homozygotes pour ce caractère déterminé par un allèle dominant, quelle est la probabilité que leur enfant ait une fossette à une joue? Mère FF : F F Père ff : f f mâles f f F Ff Ff F Ff Ff Ff : fossette La probabilité que leur enfant ait une fossette à une joue est de 100 %. 15. Étant atteint de daltonisme, Marc a construit l arbre généalogique de sa famille afin de mieux comprendre ce phénomène héréditaire lié au chromosome X. Le gène responsable du daltonisme est récessif et est représenté par la lettre d. a) Aidez Marc à établir le génotype et le phénotype de sa conjointe (individu 1) et de son neveu (individu 2). Individu 1 : XXd. Individu 2 : XdY. b) Déterminez la personne qui a transmis le gène défectueux à Marc. Le gène défectueux a été transmis à Marc par sa mère. Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-7 16. Supposons qu un gène unique code pour la couleur des cheveux. L allèle dominant B présente un phénotype brun alors que l allèle récessif b présente un phénotype blond. Un couple où la mère et le père sont hétérozygotes a eu quatre enfants. Quelle est la probabilité que les quatre enfants aient les cheveux blonds? Mère Bb : B b Père Bb : B b mâles B b B BB Bb b Bb bb La probabilité que les quatre enfants aient les cheveux blonds correspond au produit des probabilités pour chaque enfant : ¼ ¼ ¼ ¼ 1/256. 17. Le lignage ci-dessous est celui d une famille dont certains membres ont une maladie héréditaire : la maladie de Tay-Sachs. Le gène responsable de la maladie est-il récessif ou dominant? Expliquez votre réponse. Le gène est récessif. L individu 2 de la lignée III est malade alors que ses deux parents sont sains. Cela signifie que les parents sont des hétérozygotes porteurs de la maladie et que l enfant est homozygote récessif. E-9-8 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc E-9-24 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc
18. Un homme ayant été hypermétrope dans sa jeunesse désire avoir des enfants avec une femme à la vision normale. La vision normale est un caractère récessif chez les êtres humains. Si cet homme est hétérozygote pour ce caractère et sa femme homozygote, quelle est la probabilité que leur progéniture ait à porter des lunettes dans l enfance? Mère nn : n n Père Nn : N n mâles N n n Nn nn n Nn nn Nn : vision normale ; nn : hypermétrope La probabilité que la progéniture du couple ait à porter des lunettes dans l enfance est de 50 %. 19. Supposons que, dans une population d écureuils, il existe deux variantes pour le caractère forme des oreilles : oreilles arrondies ou oreilles pointues. L allèle codant pour des oreilles arrondies (A) est dominant sur l allèle codant pour des oreilles pointues (a). Si un mâle aux oreilles arrondies, mais qui est hétérozygote pour ce caractère, s accouple avec une femelle hétérozygote aux oreilles arrondies, quelle est la probabilité que leurs petits aient les oreilles pointues? Mère Aa : A a Père AA : A A mâles A A A AA AA a Aa Aa AA et Aa : oreilles arrondies La probabilité que les petites aient des oreilles pointues est nulle. Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-9 20. Chez les plants de pois, les longues tiges (L) sont un caractère dominant sur les courtes tiges (l) et la position axiale des fleurs sur la tige (A) est dominante sur la position terminale des fleurs sur la tige (a). Quelles sont les probabilités de tous les phénotypes possibles, à la première et à la deuxième génération, si un croisement a lieu entre deux plants homozygotes pour ces deux caractères (LLAA et llaa)? Mère LLAA : LA Père llaa : la Plants de la première génération : 100 % de LlAa Mère LlAa : LA La la la Père LA La la la mâles LA La la la LA LLAA LLAa LlAA LlAa La LLAa LLaa LlAa Llaa la LlAA LlAa llaa llaa la LlAa Llaa llaa llaa Plants de la deuxième génération : 9/16 de plants à longues tiges et position axiale des fleurs ; 3/16 de plants à longues tiges et position terminale des fleurs ; 3/16 de plants à courtes tiges et position axiale des fleurs ; 1/16 de plants à courtes tiges et position terminale des fleurs. 21. Imaginons que, chez les castors, le caractère queue aplatie (a) est récessif par rapport au caractère queue arrondie (A), alors que le caractère dents longues (D) constitue un trait dominant sur le caractère dents normales (d). Un castor mâle possédant une queue arrondie et des dents normales s accouple avec une femelle ayant une queue arrondie et des dents longues. La femelle est hétérozygote pour les deux caractères tandis que le mâle est hétérozygote seulement pour le caractère forme de la queue (Aadd). Quelle est la probabilité qu ils aient des petits avec la queue aplatie et les dents longues? Expliquez votre démarche. Père Aadd : Ad, Ad, ad, ad Mère AaDd : AD, Ad, ad, ad mâles Ad Ad ad ad AD AADd AADd AaDd AaDd Ad AAdd AAdd Aadd Aadd ad AaDd AaDd aadd aadd ad Aadd Aadd aadd aadd La probabilité que les castors aient des petits avec la queue aplatie et les dents longues est de 2 sur 16 ou 1 sur 8. E-9-10 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-25
22. Plusieurs plantes possèdent le génotype MM, qui code pour le phénotype dominant de fleurs mauves. En observant différentes plantes possédant le génotype MM, on remarque que les plantes du sous-bois présentent des fleurs roses alors que celles au milieu de la forêt ont des fleurs bleues. Expliquez ce phénomène. L environnement peut aussi avoir un effet sur les phénotypes. Parce que le taux d ensoleillement dans le sous-bois et au centre de la forêt n est pas le même, il influence la coloration des fleurs, même si toutes les plantes possèdent le même génotype pour la coloration. 23. Votre cousin vous annonce que sa femme vient d accoucher d un magnifique poupon qui est de groupe sanguin O. Vous savez que ce cousin est de groupe sanguin AB et sa femme de groupe sanguin B (hétérozygote). Selon vous, devrait-il s inquiéter de la situation et douter de sa paternité? Expliquez votre réponse à l aide d une grille de Punnett. Mère IBi : IB i Père IAIB : IA IB mâles IA IB IB IAIB IBIB i IAi IBi Un enfant au phénotype O possède un génotype ii. D après la grille de Punnett, ce génotype est impossible. Cela signifie que le cousin n est pas le père biologique de l enfant. 24. Le daltonisme est une maladie héréditaire liée au chromosome sexuel X. Une personne daltonienne a de la difficulté à distinguer les couleurs. Un homme ayant une vision normale se marie avec une femme ayant aussi une vision normale, mais qui est porteuse du gène de cette maladie. Si ce couple souhaite avoir un enfant, quelle est la probabilité que celui-ci soit daltonien? Démontrez la probabilité à l aide d un diagramme de Punnett. Père XY : X Y Mère XdX : Xd X mâles X Y Xd XXd XdY X XX XY XX, XY, XdX : vision normale (3) XdY : daltonisme (1) La probabilité que l enfant soit daltonien est de 25 %. Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-11 LE CLONAGE ET LES MANIPULATIONS GÉNÉTIQUES 25. Placez les termes suivants aux endroits appropriés dans le texte troué au sujet du clonage : gène cloné tissu clonage ADN biotechnologie cellule organisme clone Le clonage est la technique de biotechnologie utilisée pour reproduire parfaitement un gène 1, une cellule, un tissu 2 ou un organisme 3. Le produit de cette technique se nomme un clone. L ADN du clone est identique à celui du cloné. 26. Associez les types cellulaires suivants à leur définition. Donnez ensuite un exemple pour chaque type. a) Cellule souche totipotente 1) Est capable de se différencier b) Cellule souche multipotente en quelques cellules spécialisées c) Cellule spécialisée 2) Est capable de se différencier d) Cellule souche pluripotente en plusieurs cellules spécialisées 3) Possède une fonction spécifique 4) Peut générer un organisme entier a) 4 Zygote ou embryon de 2 à 32 cellules (morula). b) 1 Cellule souche de l embryon différencié, du fœtus ou de l adulte (dans la moelle osseuse, les cellules nerveuses, la peau, le cordon ombilical). c) 3 Cellule spécialisée de l embryon différencié, du fœtus ou de l adulte. d) 2 Blastocyste. 1. (ou tissu ou organisme) 2. (ou gène ou organisme) 3. (ou gène ou tissu) E-9-12 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc E-9-26 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc
27. Nommez et schématisez (dessin et texte) le mode de reproduction des : a) étoiles de mer ; Fragmentation b) bactéries ; Fission binaire c) levures. Bourgeonnement Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-13 28. Expliquez les ressemblances et les différences entre le bouturage et le marcottage. Ressemblances : Le bouturage et le marcottage sont tous deux des modes de reproduction asexuée chez les plantes. Dans les deux cas, une partie de la plante mère est utilisée pour former une plante fille. Différences : Dans le bouturage, la partie de la plante mère utilisée est coupée, puis mise en terre où elle fera des racines. Dans le marcottage, la partie de la plante mère est mise en terre, puis coupée après la formation des racines. 29. Vous possédez un bouc présentant une caractéristique exceptionnelle : il engendre des chèvres produisant de grandes quantités de lait. Pour obtenir une lignée qui conservera ce caractère, vous optez pour le clonage au lieu de la reproduction sexuée. Pourquoi? Expliquez de quelle façon vous pourriez cloner votre bouc. La reproduction sexuée occasionne une certaine variabilité génétique qui pourrait faire en sorte que le caractère disparaisse chez les descendants du bouc. En clonant l animal, on s assure de conserver le même génome, le caractère d intérêt y compris. Pour cloner le bouc, il faut avoir recours à la technique du clonage par transfert de noyaux adultes. On prélève des cellules du bouc, puis le noyau de ces cellules. Les noyaux sont ensuite insérés dans des ovocytes vides. Les œufs ainsi constitués se divisent et forment des embryons, que l on implante dans des mères porteuses. Celles-ci donneront ensuite naissance à des clones du bouc de départ. E-9-14 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-27
30. Daniel a besoin d une transplantation cardiaque de toute urgence, mais, malheureusement, il n y a aucun donneur compatible. Dans un cas semblable, le clonage thérapeutique pourrait potentiellement représenter une solution au problème de greffe. Décrivez une technique qui permettrait de créer un cœur sain pour un patient tel que Daniel. Schématisez votre réponse. 1. Des cellules sont prélevées sur le patient. 2. Leur noyau est retiré. 3. Les noyaux sont implantés dans un ovocyte vide. 4. Un embryon se développe. 5. Le développement de l embryon est arrêté au stade de blastocyste. 6. Les cellules pluripotentes sont recueillies et mises en culture. 7. À l aide des facteurs de croissance appropriés, ces cellules vont se différencier en cellules cardiaques jusqu à former un cœur. 8. Le cœur pourra être greffé au patient sans risque de rejet. Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-15 31. Quelle est la différence principale entre le génome d un animal cloné et celui d un animal transgénique? Le génome d un animal cloné est identique à celui d un autre animal de son espèce : génétiquement, il n a qu un seul parent. Le génome d un animal transgénique ne diffère de celui qu il aurait obtenu de ses deux parents que par un gène (ou un très petit nombre de gènes), et ce gène appartient à une autre espèce que la sienne. 32. Quel caractère inséreriez-vous dans les plantes vivant dans les conditions de culture suivantes : a) Une région semi-désertique ; La tolérance à la sécheresse. b) Le Nord québécois ; La tolérance au gel. c) Un sol riche en aluminium ; La tolérance à l aluminium. d) Un sol très fertile où les mauvaises herbes pullulent. La tolérance aux herbicides. E-9-16 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc E-9-28 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc
SYNTHÈSE 33. a) Identifiez les processus de transcription, de traduction et de réplication dans les schémas ci-dessous (lettres majuscules). Réplication : C et D. Transcription : B et E. Traduction : A et F. b) Nommez les structures désignées par des lettres minuscules. a : ADN, b : ARNm, c : enveloppe nucléaire, d : ribosome, e : ARNt, f : anticodon, g : codon, h : acides aminés, i : chaîne d acides aminés (protéine naissante). Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-17 34. Associez le ou les bons processus (transcription, traduction et/ou réplication) aux descriptions ci-dessous : a) Elle est semi-conservative. La réplication. b) Elles constituent le mécanisme par lequel les gènes s expriment. La transcription et la traduction. c) Elle est subie par tous les gènes de toutes les cellules. La réplication. d) Elles se produisent dans le noyau des cellules. La réplication et la transcription. e) Elle se produit dans le cytoplasme des cellules. La traduction. f) L ARN messager est associé à ces processus. La transcription et la traduction. g) L ARN de transfert est associé à ce processus. La traduction. h) Les ribosomes sont associés à ce processus. La traduction. i) Une ou des polymérases sont associées à ces processus. La réplication et la transcription. E-9-18 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-29
35. Émilie est une jeune fille dont le sang coagule normalement lorsqu elle se blesse, mais elle est porteuse d un gène responsable de l hémophilie. Cette maladie la préoccupe, car elle touche quelques personnes de sa famille. Émilie sait que le gène est récessif et qu il est situé sur le chromosome X. À l aide de l arbre généalogique commencé par Émilie, répondez aux questions ci-dessous. a) Quel est le génotype des grands-parents d Émilie (individus 1 et 2)? Expliquez votre raisonnement. Individu 1 : XXh. La grand-mère a reçu un X de son père et un Xh de sa mère. Individu 2 : XhY. Le grand-père a reçu un Y de son père et un Xh de sa mère. Puisque la descendance du grand-père et de la grand-mère comprend des individus hémophiles (XhXh), le grand-père était donc porteur, d où son génotype XhY. Éditions Grand Duc Merci de ne pas photocopier Corrigé du matériel reproductible E-9-19 b) L individu 3 est un petit frère d Émilie né récemment. Calculez la probabilité qu il soit hémophile. Mère XhXh : Xh Xh Père XY : X Y mâles X Y Xh XXh XhY Xh XXh XhY La mère étant XhXh, tous ses fils seront hémophiles. La probabilité que le dernier-né le soit est donc de 100 %. E-9-20 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc E-9-30 Corrigé du matériel reproductible Merci de ne pas photocopier Éditions Grand Duc