InformatIon génétIque et dIvIsIon cellulaIre

chapitre 3
Information génétique
et division cellulaire
● L’étude
de la division cellulaire est abordée pour découvrir comment est transmise et conservée
l’information génétique portée par les chromosomes. C’est l’analyse de l’évolution de l’ADN qui en est le révélateur. La connaissance simple des mécanismes de la division cellulaire dans la transmission
de l’information génétique de cellule à cellule est indispensable pour comprendre le lien entre cancer
et multiplication anarchique des cellules qui le constituent.
● Les documents présentés en ouverture de ce chapitre sont des indices et des bases pour engager
un dialogue avec les élèves sur l’importance biologique de la division cellulaire et sur les risques d’une
perturbation de ce phénomène.
Chapitre 3 Information génétique et division cellulaire – QUE d o i v e n t s a v o i r l e s é l è v e s a v a n t d ’ a b o r d e r c e c h a p i t r e ?
En quatrième, la notion de division cellulaire est abordée pour justifier le développement d’un
embryon à partir d’une cellule-œuf. La connaissance est déduite de l’observation de premiers stades
du développement embryonnaire. Le rappel de cet acquis est important et il est à croiser avec
les informations qui peuvent émerger de l’analyse de l’image du fœtus.
Cette année, dans les chapitres précédents, les élèves ont découvert les chromosomes et leur constituant
– l’ADN –, leur fonction dans l’hérédité des caractères et leur rôle de support de l’information génétique. Ces connaissances sont essentielles pour la progression dans ce chapitre.
Le programme officiel
Le programme présente les références au socle commun de connaissances et de compétences
en caractères droits. Le reste du programme est en italique.
Connaissances
Capacités déclinées dans une situation d’apprentissage
Les cellules de l’organisme,
à l’exception des cellules
reproductrices, possèdent la même
information génétique que la
cellule-œuf dont elles proviennnent
par divisions successives.
Observer, questionner, formuler
et valider des hypothèses afin
d’établir le mécanisme permettant
la conservation de l’information
génétique au cours des divisions
cellulaires.
Exemples d’activités
Étude de documents sur le maintien
du nombre de chromosomes et de
l’information génétique lors d’une
divison cellulaire.
Observation de vidéogrammes,
afin de suivre le devenir des
chromosomes pendant la divison
La division d’une cellule :
Exploiter un graphique, un
cellulaire.
— est préparée par la copie de
vidéogramme afin d’identifier les Comparaison du caryotype de
chacun de ses 46 chromosomes ; étapes de la division d’une cellule. la cellule-œuf à celui des autres
— se caractérise par la séparation [Compétence 5]
cellules qui en sont issues.
Manipulation de maquettes
des chromosomes obtenus, chacune Exprimer les résulats d’une
permettant de rendre compte des deux cellules formées recevant recherche :
23 chromosomes identiques à
réaliser un schéma représentant la du devenir des chromosomes lors
ceux de la cellule initiale.
répartition des chromosomes lors de la mitose.
Étude de l’évoluton de la quantité
des divisions cellulaires.
d’ADN au cours de la division
Le cancer est le résultat d’une
prolifération incontrôlée de cellules.
cellulaire.
Les thèmes de convergence
Ce chapitre peut être intégré au thème de convergence « Santé » pour viser l’objectif éducatif : « Réduction des comportements à risques liés à l’environnement et aux rythmes de vie ».
En lien avec un point de la partie « responsabilité humaine en matière de santé », les élèves
auront la possibilité de compléter voire d’approfondir les connaissances et la réflexion sur les risques
encourus lors d’une exposition prolongée au soleil.
La progression dans le chapitre
Les auteurs ont eu pour objectif de mettre en place une démarche d’investigation pour que l’élève découvre le sens biologique de la division cellulaire (activités 1 et 2). L’activité 3 est caractérisée par un
apport de connaissances scientifiques sur le cancer qui complètent les acquis des deux premières activités.
+ Activité 1 : s’informer/découvrir
(50 minutes)
La première activité est précédée d’un dialogue qui peut être engagé à partir des documents des pages 44 et 45.
L’activité 1 est une activité de prise d’informations. Les élèves peuvent être conduits à s’interroger sur la
conservation du nombre des chromosomes au cours de la division cellulaire.
● Introduction
2 : raisonner et construire une notion
(50 minutes)
L’activité permet de construire la notion de conservation de l’information génétique au cours de la division
cellulaire. Il s’agit ici de mettre en parallèle le comportement des chromosomes et l’évolution de la quantité d’ADN au cours de la division cellulaire.
Les auteurs ont choisi de faire apparaître sur le graphe (doc e) la quantité d’ADN de la cellule d’origine et celle de chacune des deux cellules issues de la division cellulaire. Il est important d’accompagner les élèves dans la lecture de ce graphe inédit.
● Activité
3 : s’informer scientifiquement
(50 minutes)
L’activité est construite autour de textes et schémas sur le cancer. Les contenus scientifiques ont été adaptés pour être lus par un élève de 3e qui doit s’approprier les informations. L’objectif est double :
éducation à la santé et préparation de la partie « responsabilité humaine en matière de santé et
d’environnement ».
● Activité
L ’ a t e l i e r B2 i
Cette activité permet à l’élève de construire ou de renforcer :
● une compétence informatique : « créer, produire, traiter, exploiter des données (C.3) ». ● une compétence liée au programme de SVT : « Établir un lien entre variation de la quantité
d’ADN et évolution des chromosomes au cours de la division cellulaire. »
L’élève doit produire une représentation graphique illustrée de la variation de la quantité d’ADN par cellule en fonction du temps et de l’évolution de l’aspect des chromosomes.
Le site : www.disiersvt.com/3/b2i/03.html propose les ressources pour réaliser cette production que l’élève pourra évaluer en se référant au document de positionnement « élève » du BO du 16 novembre 2006.
Chapitre 3 Information génétique et division cellulaire – activité 1L’information
génétique des cellules
d’un être humain
Objectifs visés
Cette activité a pour objectif de permettre aux élèves de
démontrer que toutes les cellules de l’organisme, malgré
leurs différences, possèdent la même information génétique, entre elles et par rapport à la cellule-œuf, dont
elles proviennent par divisions successives, exception
faite des cellules reproductrices.
Connaissances construites
Les cellules de l’organisme, à l’exception des cellules
reproductrices, possèdent la même information génétique
que la cellule-œuf dont elles proviennent par divisions
successives.
Dans le cadre du socle commun des connaissances et
des compétences, cette activité contribue à la connaissance des caractéristiques du vivant.
Les capacités et les compétences
déclinées au cours de cette activité
● Comparer le caryotype de la cellule-œuf à celui des
autres cellules qui en sont issues (documents a à g).
● Comparer le caryotype de cellules somatiques à celui
de cellules reproductrices (documents e et h).
Dans le cadre du socle commun des connaissances et
des compétences, cette activité contribue à mettre en
œuvre la capacité de pratiquer une démarche scientifique, notamment savoir observer, questionner, ici, des
documents photographiques, puis d’argumenter, en les
mettant en relation, afin d’atteindre les objectifs visés.
• Réponses aux questions posées
1 : Dans le noyau des cellules humaines, de la cellule-œuf aux
cellules de l’adulte, le nombre de chromosomes est de 46.
2 : Dans le noyau des cellules reproductrices, seuls
23 chromosomes sont observables.
3 : « Toutes les cellules de l’organisme, exceptées les cellules
reproductrices, possèdent la même information génétique ».
En effet, les chromosomes étant le support de l’information
génétique, toutes les cellules de l’organisme qui possèdent le
même nombre de chromosomes (46) possèdent donc la même
information génétique. En revanche, les cellules reproductrices
ne possédant que 23 chromosomes, elles font exception : elles ne
contiennent pas la même information génétique que les autres
cellules de l’organisme.
Matériel et mise en œuvre
Les documents de cette activité, uniquement de nature
photographique, doivent être envisagés, pour faire sens,
après un rappel de notions acquises préalablement :
– en quatrième : les cellules de l’organisme proviennent
de la cellule-œuf par divisions successives.
– dans le chapitre 2 du manuel : les chromosomes présents dans le noyau sont le support de l’information
génétique.
Ces documents constituent deux blocs qu’il convient
d’opposer afin d’atteindre les objectifs visés. La mise en
relation des documents est fondée sur la présence de flèches de couleur verte dont la signification reste la même
dans ces deux blocs : les chromosomes observés sont
contenus dans le noyau de chaque cellule ainsi pointée
dans chaque photographie.
Le premier bloc correspond aux documents a à g, de
la cellule-œuf aux cellules de l’adulte qui, tout en illustrant le prérequis vu en quatrième permet d’établir que
toutes les cellules somatiques d’un organisme humain
possèdent 46 chromosomes (question 1) ce qui signifie,
d’après le second prérequis, qu’elles possèdent toutes la
même information génétique (question 3).
Le second bloc, constitué du seul document h, ne se
rapporte qu’aux cellules reproductrices : il permet de
montrer qu’elles ne possèdent que 23 chromosomes
(question 2) et donc, par opposition avec le premier
bloc, qu’elles ne contiennent pas la même information
génétique que les autres cellules de l’organisme (question 3).
Ressources (bibliomédiagraphie)
Des ouvrages généraux pour le professeur
Bruce Alberts (Sous la direction de), Biologie moléculaire
de la cellule, Flammarion Médecine-Sciences, 2004
Des sites internet
Dossier SagaScience – Cellule / CNRS :
www.cnrs.fr/cw/dossiers/doscel/accueil2.htm
Des ouvrages généraux pour les élèves
(pour le CDI)
Sciences et Vie Junior, n° 70, octobre 2007
Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom.
activité 2La
transmission de l’information
génétique de cellules en cellules
Objectifs visés
Les capacités et les compétences
déclinées au cours de cette activité
Cette activité a pour objectif de montrer comment l’information génétique est conservée à l’identique
● Exploiter des documents (textes, photographies, de cellules en cellules au cours des divisions cellulaires schémas d’interprétation) sur le maintien du nombre successives depuis la cellule-œuf aux cellules de
de chromosomes et de l’information génétique lors
l’adulte.
d’une division cellulaire afin d’en identifier les étapes
(documents a à d).
● Interpréter une représentation graphique de l’évolution
Connaissances construites
de la quantité d’ADN au cours de la division cellulaire
La division d’une cellule :
(documents e et f).
– est préparée par la copie de chacun de ses 46 chro- ● Exploiter un vidéogramme afin de suivre le devenir
mosomes ;
des chromosomes pendant la division cellulaire et d’en
– se caractérise par la séparation des chromosomes identifier les étapes.
obtenus, chacune des deux cellules formées recevant
23 paires de chromosomes identiques à ceux de la Dans le cadre du socle commun des connaissances et
cellule initiale.
des compétences, cette activité contribue à mettre en
Dans le cadre du socle commun des connaissances et des
compétences, cette activité contribue à la connaissance
des caractéristiques du vivant notamment les modalités
du développement et du fonctionnement des organismes vivants, ici, à l’échelle cellulaire.
œuvre la capacité d’exploiter et d’exprimer les résultats
d’une recherche ou d’une mesure et de pratiquer la
démarche scientifique notamment observer, questionner,
formuler une hypothèse et la valider afin d’établir le
mécanisme permettant la conservation de l’information
génétique au cours des divisions cellulaires.
• Réponses aux questions posées
1 : Chaque chromosome simple est copié avant la division cellulaire
et forme un chromosome double. Ainsi, le nombre de chromosomes
dans les deux cellules formées par division est conservé.
2 : Les documents e et f valident notre hypothèse : ils montrent
comment, avant la division cellulaire, l’ADN des chromosomes
est copié ce qui produit, à partir de chromosomes simples non
pelotonnés, des chromosomes doubles.
« Au cours de la division cellulaire, la quantité d’ADN est
réduite de moitié dans chaque cellule mais le nombre de
chromosomes ne varie pas ». On constate, en effet, sur le
graphique (doc e) que la quantité d’ADN est multipliée par
deux avant la division cellulaire, quantité double ensuite réduite
de moitié par la division cellulaire. En revanche, le nombre
de chromosomes, lui, ne double pas, la copie de leur ADN
produisant des chromosomes doubles et non, jusqu’à la division
cellulaire, deux chromosomes distincts.
3 : L’information génétique est conservée lorsque les cellules se
divisent, car la division d’une cellule est préparée par la copie
de chacun de ses 46 chromosomes et se caractérise par la
séparation des deux filaments de chaque chromosome double,
chaque cellule formée recevant 23 paires de chromosomes
simples identiques à ceux de la cellule initiale.
Matériel et mise en œuvre
Les supports de natures variées (textes, photographies,
schémas d’interprétation, graphique) de cette activité sont
à mettre en œuvre à partir des conclusions de l’activité 1
selon lesquelles toutes les cellules provenant de la cellule- œuf par divisions successives possèdent le nombre invariable de 46 chromosomes signant la conservation de
l’information génétique de cellules en cellules. Il convient
aussi de rappeler que chaque chromosome est constitué
d’ADN, notion acquise au chapitre 1 du manuel.
Les documents a à d constituent le « film » d’une mitose, ils contextualisent les connaissances à construire et peuvent être complétés par un vidéogramme sur la division cellulaire (voir ressources). Ils permettent aussi,
par déduction, de formuler l’hypothèse sur la copie
des chromosomes, préalable à la division (question 1) :
l’élève peut observer et comprendre qu’en fin de division les cellules formées possèdent le même nombre
de chromosomes que la cellule initiale. Chacun des
chromosomes n’est formé que d’un seul filament alors
qu’avant la division, la cellule initiale possède des chromosomes doubles. Les cellules formées étant amenées à
se diviser à leur tour, elles deviennent les cellules initiales
d’un nouveau cycle, chacun des chromosomes est copié
avant la mitose et forme un chromosome double.
Le document e rend compte de l’évolution de la quantité d’ADN dans une cellule au cours du temps sous la
forme d’un graphique en trois dimensions présentant,
après la division, non pas une mais deux quantités unitaires d’ADN correspondant aux deux cellules issues de
la division. Ce graphique est mis en relation avec les
différents aspects des chromosomes au cours d’un cycle
cellulaire, observables dans la frise située sous le graphique
calée par rapport au temps du graphique : chromosome
simple non pelotonné, chromosome non pelotonné en
cours de duplication dont la réalité est avérée par les
électronographies du document f, chromosome double non pelotonné puis pelotonné, séparation des chromatides… La division cellulaire est symbolisée, dans le graphique, par le parallélépipède de couleur rose, couleur
encadrant les quatre schémas d’interprétation des documents a à d, reproduits au-dessus du graphique, ainsi
situés dans le cycle cellulaire présenté.
Ce faisceau d’informations permet de valider l’hypothèse de la copie de l’ADN des chromosomes et d’établir
les caractéristiques de la mitose (questions 2 et 3).
L’activité proposée dans l’atelier B2i donne la possibilité aux élèves de produire un document similaire qu’ils
pourront conserver.
Ressources (bibliomédiagraphie)
voir page 5
Un vidéogramme
Jean-Noël Cloarec, Jean-Claude Proust, André Videaud,
La mitose, une copie conforme de l’information, Jeulin
Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom.
activité 3Le
cancer, un dérèglement
de la division cellulaire
Objectifs visés
Cette activité a pour objectif d’expliciter le lien entre
division cellulaire et cancer : une tumeur est une masse
cellulaire dans laquelle les cellules se divisent de façon
incontrôlée et, au-delà, de présenter les facteurs à l’origine d’un cancer.
Connaissances construites
Le cancer est le résultat d’une prolifération incontrôlée
de cellules.
Dans le cadre du socle commun des connaissances et
des compétences, cette activité contribue aux connaissances relatives à l’éducation à la santé et à la sécurité
mais aussi à la maîtrise des connaissances sur l’Homme
et notamment le fonctionnement du corps humain.
Les capacités et les compétences
déclinées au cours de cette activité
Exploiter des documents (textes scientifiques, schémas)
afin d’expliquer comment apparaît et se développe un
cancer.
●
Dans le cadre du socle commun des connaissances et
des compétences, cette activité contribue à mettre en
œuvre les capacités suivantes : dégager l’idée essentielle
d’un texte lu, comprendre qu’un effet peut avoir plusieurs
causes, mobiliser ses connaissances en situation, par
exemple comprendre le fonctionnement de son propre
corps.
• Réponses aux questions posées
1 : Le développement d’un cancer : des gènes dont la fonction
est de contrôler la division cellulaire sont, tout d’abord, altérés
et ne remplissent plus leur rôle, les cellules porteuses de ces
gènes se divisent alors plus rapidement que les autres et forment
une tumeur. Certaines cellules cancéreuses envahissent les
tissus situés sous la tumeur et les détruisent ou rejoignent la
circulation sanguine et se disséminent dans d’autres organes
dans lesquels elles développent des tumeurs secondaires ou
métastases. Le cancer peut alors se généraliser et son issue être
fatale.
2 : Les facteurs à l’origine d’un cancer : l’ADN des gènes
contrôlant les divisions cellulaires peut être altéré spontanément
notamment avec l’âge ou par des facteurs tels que des
radiations (UV), le mode de vie (alcool, tabac, alimentation),
des virus (papillomavirus), l’hérédité, des substances chimiques.
3 : Un cancer apparaît spontanément ou sous l’effet de
facteurs externes ou internes à l’organisme et correspond à une
prolifération incontrôlée de cellule.
Matériel et mise en œuvre
Les textes de cette double page sont rédigés d’après
les brochures médicales téléchargeables de l’ARC,
Association pour la Recherche sur le Cancer. Ces textes
sont illustrés de schémas favorisant leur compréhension
et donc l’autonomie des élèves dans leur exploitation
afin d’expliquer comment apparaît et se développe un
cancer.
Ressources (bibliomédiagraphie)
voir page 5
Des sites internet
www.arc.asso.fr,
www.ligue-cancer.net,
www.e-cancer.fr (institut national du cancer).
Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom.
exercices
je vérifie mes connaissances
1 QCM
4 Un dessin d’observation
1 b et c ; 2 a et c ; 3 a ; 4 b et c.
membrane
plasmique
2 Vocabulaire et rédaction
a Toutes les cellules de l’organisme, hormis les cellules
reproductrices, possèdent la même information
génétique que la cellule-œuf (dont elles dérivent).
b La copie de chacun des 46 chromosomes prépare la
division cellulaire qui s’accompagne de la séparation
des deux filaments de chacun des 46 chromosomes.
c Le cancer correspond à une prolifération incontrôlée de
cellules.
chromosomes
20 µm
cytoplasme
3 Définitions
a 1 ; b 2.
j’applique mes connaissances
• exercice guidé
5 Le premier chat cloné
6 Vrais jumeaux, faux jumeaux
1 Les étapes du clonage de Rainbow :
1 Les vrais jumeaux sont issus d’une seule cellule-œuf,
– étape 1 : prélèvement d’une cellule de tissu ovarien
de Rainbow.
– étape 2 : prélèvement d’un ovule non fécondé de
chatte duquel on détruit le noyau.
– étape 3 : transfert du noyau de cellule de tissu
ovarien dans l’ovule sans noyau.
– étape 4 : obtention d’un embryon du clone.
– étape 5 : implantation de l’embryon du clone dans
l’utérus d’une chatte porteuse.
– étape 6 : naissance, après 60 jours, de Carbon copy.
2 « Cc est génétiquement identique à Rainbow »
car ce chaton a été obtenu à partir du noyau d’une
cellule de Rainbow, noyau comportant la totalité de
son information génétique.
3 Le résultat aurait été le même avec une autre
cellule de Rainbow car toutes les cellules d’un
organisme possèdent la même information génétique
(hormis les cellules reproductrices) contenue dans
leur noyau.
10
les faux jumeaux de deux cellules-œufs.
2 « Les vrais jumeaux sont génétiquement identiques » car ils sont formés à partir de la même cellule-œuf
donc de la même information génétique contenue
dans son noyau.
3 Les faux jumeaux peuvent être fille et garçon car ils
sont issus de deux cellules-œufs différentes résultant de
deux fécondations simultanées : une cellule-œuf peut
alors comporter l’information génétique donnant une
fille, l’autre un garçon.
7 Cloner les vaches
1 Les étapes du clonage qui ont conduit à Marguerite :
– étape 1 : prélèvement de cellules de tissu musculaire
sur un fœtus de vache.
– étape 2 : prélèvement d’ovules non fécondés de vache
desquels on détruit le noyau.
– étape 3 : transfert des cellules de tissu musculaire au
contact de la membrane des ovules sans noyau.
– étape 4 : obtention d’embryons de clones grâce à un
choc électrique assurant la fusion des membranes des
cellules musculaires et des ovules.
– étape 5 : implantation, après 7 jours de culture, des
embryons de clones dans l’utérus de vaches porteuses.
– étape 6 : naissance de Marguerite le 20/02/1998.
2 Marguerite possède la totalité de l’information
génétique du fœtus cloné, car elle a été obtenue à
partir d’un noyau d’une cellule musculaire de ce fœtus,
noyau comportant la totalité de son information
génétique.
8 Divisions cellulaires dans les racines
de jacinthe
1
Photo a
Photo b
2 Sur la photo a chaque chromosome apparaît
constitué de deux filaments formant un chromosome
double.
Sur la photo b les deux filaments de chaque chromosome
double se séparent et migrent à l’opposé l’un de
l’autre dans la cellule formant deux lots identiques de chromosomes simples.
3 La cellule se divise, les deux cellules formées possédant
des chromosomes identiques à ceux de la cellule initiale.
9 Quantité d’ADN et division cellulaire
Quantité d’ADN dans une cellule en fonction du temps
2,5
quantité d’ADN
(en unités arbitraires)
2
1,5
1
0,5
0
0
5
10
15
20
25
30
temps (en heures)
Chapitre 3 Information génétique et division cellulaire – 11
exercices
10 Dépister un mélanome
11 Le cancer du sein
1 Les cinq changements d’aspect des grains de beauté
1 Les principaux facteurs de risque de développement
pouvant signifier la survenue d’un mélanome :
A : la forme devient asymétrique
B : les bords deviennent irréguliers
C : la couleur devient multiple
D : la dimension dépasse les 5 mm
E : le changement d’aspect est rapide.
2 Le cancer correspond à une prolifération non
contrôlée de cellules, les cellules au niveau du
mélanome se multiplient de façon anarchique et ainsi,
les bords du grain de beauté deviennent irréguliers.
12
d’un cancer du sein sont l’âge (« Les deux tiers des
cancers du sein se développent chez des femmes de
plus de 50 ans »), les anomalies génétiques (« Grâce
aux recherches en génétique, il a été possible de
dépister des anomalies particulières qui prédisposent
fortement au cancer du sein qui survient chez les
femmes jeunes ») et les antécédents familiaux (« Une
femme dont la mère ou la sœur a déjà eu un cancer
du sein risque deux fois plus que les autres femmes de
développer la maladie »).
2 Une femme doit être particulièrement vigilante pour
prévenir le développement d’un éventuel cancer du
sein à partir de 40 ans (« Après 40 ans, les statistiques
nous apprennent que le risque d’avoir un cancer du
sein se multiplie une fois et demie tous les dix ans »).
3 Les précautions ou examens simples à réaliser pour
prévenir un cancer du sein : autopalpation des seins,
palpation par le médecin et mammographie tous les
un ou deux ans selon les facteurs de risque.