Chapitre 4 : L information génétique est conservée par réplication de l ADN Activité 1 : structure et ultrastructure du chromosome Connaissances Pendant l'interphase, l ADN eucaryote, porteur de l information génétique, est associé à des protéines pour former la chromatine. La chromatine peut être diffuse ou dense ; elle atteint une compaction maximale au sein des chromosomes pendant la mitose. Capacités Exploiter des ressources documentaires pour : - comprendre l organisation de l ADN au sein du noyau - réaliser un schéma simple d un chromosome Document 1 : chromosome et chromatine Dans la vie d une cellule, le chromosome présente différents niveaux d organisation. Lorsque la cellule se divise (=mitose), les chromosomes apparaissent condensés, courts et épais et sont visibles au microscope optique. Entre deux divisions cellulaires, intervalle appelé interphase, les chromosomes se décondensent sous forme de fibres de chromatine formant des amas irréguliers dans le noyau. 1. Citer le compartiment cellulaire dans lequel se trouve le matériel génétique. 2. Indiquer pour les 2 cellules entourées du document sous quelle forme se présente l ADN et si ces cellules sont en interphase ou en mitose. Page 1 sur 11
Document 2 : Les différents niveaux d organisation du chromosome Le chromosome en début de mitose, apparait formé de deux chromatides identiques, réunies au niveau du centromère. Chaque chromatide se termine à ses 2 extrémités par le télomère (tél(o)= terminaison). A partir des données du document 2 : 1. Indiquer la composition biochimique de la chromatine. 2. Justifier l expression «collier de perles» attribuée au nucléofilament. 3. Indiquer la composition d une chromatide. 4. Par quel processus les chromosomes deviennent ils visibles dans une cellule? 5. Titrer les figures a à c du document ci-dessous et donner les annotations 1 à 6. Page 2 sur 11
Les différents niveaux d organisation du chromosome Figure a Figure b [Tapez une citation prise dans le document ou la synthèse d'un passage intéressant. Vous pouvez placer la zone de texte n'importe où dans le document. Utilisez l'onglet Outils de zone de texte pour modifier la mise en forme de la zone de texte de la citation.] Figure c Activité 2 : Les différentes phases du cycle cellulaire Connaissances Le cycle cellulaire des cellules eucaryotes se déroule en plusieurs phases. L'ADN est répliqué au cours de la phase de synthèse. La cellule se divise au cours de la phase de mitose. Capacités Exploiter des ressources documentaires pour : - représenter le cycle cellulaire ; - analyser la courbe d évolution de la quantité d ADN par cellule durant le cycle. Les cellules ont leur propre cycle de vie : elles naissent, se multiplient et meurent. Leur multiplication permet leur renouvellement. Au cours de sa vie, une cellule donne naissance, en se divisant, à deux cellules filles génétiquement identiques entre elles et à la cellule mère : c est la mitose (chaque cellule possède le même ADN). Entre deux mitoses, la cellule est dite en interphase (période pendant laquelle la cellule effectue ses fonctions métaboliques). Elle est divisée en 3 phases distinctes : - Phase G1 : la cellule synthétise les éléments indispensables à sa croissance - Phase S : phase de réplication de l ADN - Phase G2 : la cellule se prépare à la mitose On appelle cycle cellulaire un ensemble constitué d une interphase et d une mitose (états d une cellule depuis sa formation jusqu à sa division en deux cellules filles). Page 3 sur 11
Document 1 : Evolution de la quantité d ADN dans une cellule somatique au cours de cycles cellulaires Les lettres A à E du document 1 délimitent un cycle cellulaire d une cellule somatique : cellule qui n intervient pas dans la reproduction sexuée de l organisme et qui compose un tissu de l organisme Document 2 : Aspects de l ADN à différents moments du cycle cellulaire Document 1 1. Donner le nombre de cycles cellulaires représentés sur le document et les délimiter. 2. Indiquer la durée d un cycle cellulaire pour cette cellule. Citer les 2 grandes étapes qui la composent. 3. Analyser les variations de la quantité d ADN au cours d un cycle cellulaire. 4. Donner la définition de la mitose et indiquer sur la figure quand elle a lieu. Justifier la réponse. 5. Délimiter l interphase au niveau de la figure. 6. L interphase est découpée en 3 phases qui sont : G1, S et G2 ; les indiquer sur le document. 7. Rappeler le nom des deux niveaux d organisation caractéristiques de l ADN dans une cellule et les étapes dans lesquelles on peut les observer. Document 2 8. Les schémas à du document 2 représentent l ADN au cours des différentes phases du cycle. - Décrire ces représentations et identifier l étape dans laquelle on peut les observer. - Localiser, sur le document 1, les moments du cycle où on peut les observer. Justifier. Page 4 sur 11
Activité 3 : La réplication de l ADN Connaissances La réplication de l'adn est semi-conservative chez les procaryotes comme chez les eucaryotes. Capacités Exploiter des ressources documentaires pour : - mettre en relation la structure double brin de la molécule d'adn avec la réplication ; - analyser une expérience montrant le caractère semi-conservatif de la réplication. Rappel : l ADN est une double hélice formée de 2 brins complémentaires et antiparallèles. Document 1 : les trois modèles proposés pour la réplication de l ADN Pour expliquer la réplication d'un ADN bicaténaire, trois modèles ont été proposés. Ces modèles se basent tous sur l'utilisation de la molécule d'adn "mère" comme matrice pour sa réplication, mais selon des modalités différentes : 1. Modèle conservatif Les deux brins de la molécule d ADN mère restent intacts et une nouvelle copie en est intégralement synthétisée. 2. Modèle dispersif Chaque brin des molécules d ADN fille contient à la fois des fragments de la molécule d ADN mère et des fragments nouvellement synthétisés. 3. Modèle semi-conservatif Les deux brins de la molécule d ADN mère se séparent et chacun est complété par la synthèse d un nouveau brin Document 2 : Les expériences de Meselson et Stahl En 1958, Meselson et Stahl cherchent à comprendre comment s'effectue la copie conforme de l'adn. Des bactéries, sont cultivées pendant de nombreuses générations sur un milieu contenant de «l azote 15 N» («azote «lourd»). Elles sont prélevées et transférées sur un milieu normal, contenant de «l azote 14 N» («azote «léger»). À chaque étape, l'adn des 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. Page 5 sur 11
Les résultats obtenus sont schématisés ci-contre : Tube 1 : ADN de bactéries cultivées depuis de nombreuses générations sur un milieu 15 N. Tube 2 : ADN de bactéries de la culture sur milieu 15 N, une génération après leur transfert sur un milieu 14 N. Tube 3 : ADN de bactéries de la culture sur milieu 15 N, deux générations après leur transfert sur un milieu 14 N. 1. Analyse des résultats obtenus à la première génération : - Après lecture des résultats, cocher la bonne réponse dans les propositions ci-dessous. - Préciser l hypothèse éliminée parmi les trois modèles proposés pour la réplication. Justifier la réponse. - En cultivant des bactéries sur un milieu avec de l 15 N, l ADN extrait des bactéries est : De l ADN lourd De l ADN léger De l ADN lourd et léger De l ADN lourd ou léger - Après de nombreux cycles cellulaires dans un milieu enrichi en 15 N et un cycle dans un milieu contenant du 14 N, on obtient 100% d ADN lourd 100% d ADN léger 50% d ADN lourd et 50% d ADN léger 100% d ADN intermédiaire - Hypothèse éliminée et justification : 2. Analyse des résultats obtenus à la deuxième génération : - Indiquer les résultats attendus dans le tube 3 pour les 2 hypothèses restantes. - Préciser laquelle des deux hypothèses restantes est finalement retenue en utilisant les résultats réellement observés. Page 6 sur 11
Activité 4 : Les différentes phases de la mitose Connaissances La mitose conduit à la formation de deux cellules-filles génétiquement identiques à la cellule-mère. Les quatre phases de la mitose sont identifiées par des événements structuraux caractéristiques. Les chromosomes comportent deux chromatides identiques qui se séparent au cours de la mitose ; l information génétique de la cellule-mère est fidèlement transmise aux cellules-filles. Capacités Exploiter des ressources documentaires et réaliser une préparation microscopique pour : - identifier les quatre phases de la mitose ; - repérer les caractéristiques structurales essentielles des quatre phases de la mitose. La mitose est située entre deux interphases. La mitose est une division cellulaire qui permet de former, à partir d une cellule mère, deux cellules filles génétiquement identiques à la cellule mère. On distingue quatre phases au cours de la mitose : prophase, métaphase, anaphase et télophase. Chaque phase est essentiellement caractérisée par l'état des chromosomes et leur localisation dans la cellule. Le document 1 schématise des cellules observées au cours d un cycle cellulaire. 1) Observer la vidéo «la mitose» : http://www.youtube.com/watch?v=6coxmt9gmdq 2) Etude du document 1 : Décrire les phénomènes observés au niveau de chaque phase (photo + schéma) et nommer les phases observées. 3) Rappeler le nombre total de chromosomes dans une cellule somatique humaine. 4) Sur le document 2, cocher les propositions correctes et corriger celles qui sont incorrectes. Document 2 La mitose d une cellule somatique humaine donne naissance à 2 cellules filles à 23 chromosomes A la fin de la mitose, chaque chromosome est composé d une chromatide A la fin de la mitose, chaque chromatide est composée par une molécule d ADN (double hélice) Les chromosomes sont sous forme de chromatine pendant certaines phases de la mitose. La mitose assure une reproduction conforme des cellules La mitose permet le renouvellement et la réparation des tissus Page 7 sur 11
Document 1 : Le déroulement de la mitose au cours du cycle cellulaire Photos (cellule végétale) Le cycle cellulaire : l interphase + la mitose Schémas (cellule animale) Nom de la phase Caractéristiques structurales de chaque phase Page 8 sur 11
Activité 5 : Analyse de caryotype Connaissances La chromatine peut être diffuse ou dense ; elle atteint une compaction maximale au sein des chromosomes pendant la mitose. Capacités Exploiter des ressources documentaires pour : - analyser les résultats d un caryotype humain. Lors de la métaphase de la mitose, les chromosomes sont le plus condensés et le mieux individualisés. Cette phase est utilisée pour la réalisation d un caryotype qui permet de détecter des anomalies chromosomiques (nombre ou forme) ou le sexe d un individu. Document 1 : réalisation d un caryotype Document 2 : photographies de caryotypes humains normaux Caryotype féminin Caryotype masculin Page 9 sur 11
1. Pourquoi le caryotype est-il réalisé à partir des leucocytes et non des érythrocytes (hématies)? 2. Pourquoi les mitoses sont-elles bloquées en métaphase? 3. Dessiner et légender un chromosome métaphasique. 4. Observer un des caryotypes du document 2 et préciser les critères utilisés pour classer les chromosomes. En déduire la définition d un caryotype. 5. Comparer les deux caryotypes du document 2 et indiquer ce qui distingue un caryotype féminin d un caryotype masculin. 6. A chaque caryotype correspond une formule chromosomique : (46, XX) pour les filles, (46, XY) pour les garçons. Expliquer l écriture de la formule chromosomique. 7. La fécondation résulte de l union d un gamète mâle (spermatozoïde) et d un gamète femelle. Justifier le fait que les chromosomes soient par paires et proposer une explication au caryotype (46, XY) d un garçon issu de la fécondation. Document 3 : Les anomalies chromosomiques visibles au microscope Le caryotype est généralement utilisé dans le cadre du diagnostic prénatal afin de détecter une anomalie chez le fœtus. Plusieurs types d anomalies chromosomiques peuvent être repérés sur un caryotype. : - Anomalies du nombre de chromosomes (perte d un chromosome d une paire (monosomie) ou chromosome en plus au niveau d une paire (trisomie)) - Anomalies de la structure des chromosomes (perte d un fragment de chromosome...) Un caryotype peut donner des informations sur l aspect des chromosomes mais ne permet pas de connaître le contenu des gènes. Question : 8. Pour chaque caryotype présenté, - repérer et nommer l anomalie chromosomique, - écrire sa formule chromosomique. - Indiquer le sexe de l individu (la présence du chromosome Y détermine le sexe de l individu). Caryotype B Caryotype A Page 10 sur 11
Caryotype C Caryotype D Page 11 sur 11