Partie 1, De l`ADN à l`individu

Transcription

Cours de Biologie – Licence pluridisciplinaire
Jean-Olivier Irisson
Première partie
De l’ADN à l’individu
L'objectif de cette partie est de mettre en place les notions de génotype et de phénotype ainsi que le lien complexe qui
peut exister entre ces deux concepts. On commence par présenter l'organisation générale des cellules et du matériel
génétique. Puis des exemples de relation entre génotype, phénotype et environnement à toutes les échelles sont pré
sentés.
1 La cellule
1.1 Observation de cellules
1.1.1 Cellule animale
À l'aide des définitions énoncées plus bas légender la Figure ci-dessous.
Coupe de pancréas en
microscopie optique *200.
cytoplasme: territoire délimité par une membrane plasmique et constituant l'intérieur d'une cellule.
cytosol: milieu plus ou moins liquide caractérisant le compartiment cellulaire et dans lequel baignent les organites.
membrane plasmique: enveloppe externe d'une cellule. La membrane plasmique délimite le compartiment intra
cellulaire.
noyau: organite volumineux limité par une double membrane (enveloppe nucléaire), contenant la chromatine et un
ou plusieurs nucléoles.
organite: ensemble organisé présent à l'intérieur d'une cellule et baignant dans le cytosol.
réticulum endoplasmique: réseau membranaire intracellulaire limitant des cavités remplies d'un liquide.
Page 1
Faire un dessin d'observation légendé de la Figure ci dessous.
Cellule animale (lymphocyte)
vue en microscopie électro
nique
1.1.2 Cellule végétale
À l'aide des définitions, légender la Figure suivante.
chloroplaste: Organite vert contenant des "empilements" de membranes et caractéristique des cellules végétales ex
posées à la lumière.
Observation d'une feuille d'Élodée in vivo au mi
croscope optique
Page 2
Faire un schéma interprétatif légendé de la micrographie ci-dessous.
Cellule de parenchyme chloro
phyllien
en MET. *3500
1.1.3 Cellule procaryote
Observer les deux photographies suivantes et notez les trois principales différences avec les cellules observées pré
cédemment.
Bactérie Escherichia coli
(MET *160000)
et cyanobactérie ou bacté
rie chlorophyllienne
(MET *25000)
Pas de noyau
Pas d'organites
Plus petites
Page 3
À partir de cette comparaison, proposer des définitions pour les termes "cellule eucaryote" (cellules des animaux, des
végétaux et des champignons) et "cellule procaryote" (cellules des bactéries).
eucaryote: se dit d'une cellule possédant un noyau.
procaryote: se dit d'une cellule ne possédant ni enveloppe nucléaire ni organites.
Page 4
1.2 L'activité énergétique des cellules
1.2.1 Respiration
Lors de l'ajout de glucose on observe une prolifération des levures. Sans ajout de glucose, lorsque le milieu est uni
quement minéral, les levures ne survivent pas.
respiration: ensemble des réactions de dégradation de matière organique, à l'origine d'une production d'énergie à l'é
chelle cellulaire. Elle se traduit par des échanges gazeux avec le milieu extra cellulaire: absorption de dioxygène et rejet
de dioxyde de carbone.
1.2.2 Photosynthèse
photosynthèse: ensemble des réactions de fabrication de matière organique (glucides etc.) à partir de molécules mi
nérales (eau, CO2) réalisées par une cellule chlorophyllienne placée à la lumière. Cette réaction de synthèse se solde
par une consommation de dioxyde de carbone CO2 et un dégagement de dioxygène O2).
1.2.3 Bilan
autotrophie: propriété d'une cellule, et par extension d'un organisme, qui consiste à fabriquer de la matière organique
à partir de matière minérale uniquement.
hétérotrophie: propriété d'une cellule, et par extension d'un organisme, qui ne peut élaborer sa propre matière or
ganique qu'à partir de matière organique pré-existante.
Page 5
Mise en évidence de la consommation de glucose par les levures
Bilan des échanges gazeux au cours de la respiration (EXAO)
Page 6
Mise en évidence expérimentale du processus de photosynthèse
Mise en évidence des échanges gazeux au cours de la photosynthèse (EXAO)
Page 7
Page 8
2 L'ADN, support universel de l'information géné
tique
2.1 Identification du matériel génétique
2.1.1 Identification de la nature du matériel génétique
À partir de l'expérience décrite par la Figure
proposer une explication au changement de
nature des souches R.
a: transfert de quelque chose entre les S tuées et les
R qui rend les R virulentes.
b: ce quelque chose est de l’ADN.
Expérience de Griffith: identification du matériel gé
nétique du pneumocoque
En quoi cela donne-t-il une indication sur le rôle de l'ADN?
L’ADN contient de l’information qui peut être passée d’un organisme à l’autre.
Page 9
2.1.2 Observation du noyau cellulaire
À partir de la Figure identi
fier les états possible du ma
tériel génétique dans le
noyau en faisant un schéma
de chacun d'eux.
Légender une des cellules.
Cellules de racines colorées par la méthode de Feulgen (Coloration spécifique de l'ADN). MO
*520.
Savez-vous à quoi correspond chaque état?
Différentes phases de la division cellulaire.
Page 10
Les condensations colorées de la molécule
d'ADN observées sur les photos précédentes se
nomment chromosomes. Un chromosome est
isolé est soumis à l'action d'une protéase, qui
détruit les protéines. Le résultat est observé en
microscopie électronique dans la Figure ci-contre.
À partir de cette observation, de quoi pensez vous
que sont composés les chromosomes.
De protéines:
D'une structure filamenteuse enroulée et maintenue en
place par les protéines: l'ADN
Micrographie électronique d'un chromosome soumis à l'action d'une
protéase
2.2 Universalité de l'ADN
L'expérience de Griffith montre que des transferts d'ADN sont possibles entre plusieurs individus, que les morceaux
d'ADN transmis sont toujours reconnus et que l'information qu'ils véhiculent est bien exprimée dans la cellule rece
veuse.
Les expériences de transgenèse s'intéressent à des transferts similaires mais entre espèces.
transgenèse: transfert d'un fragment d'ADN "étranger" dans une cellule, modifiant ainsi le patrimoine génétique de
cette cellule.
2.3 La structure de la molécule d'ADN
ADN: Acide DésoxyriboNucléique Longue molécule en forme de double hélice, contenant l'information génétique.
chromatine: assemblage d'ADN et de protéines dans un état décondensé.
chromosome: assemblage d'ADN et de protéines dans un état condensé
Page 11
Expérience de transgenèse entre un rat et une souris
Organisation moléculaire d'un chromosome
Page 12
Les constituants de l'ADN et leur stoechiométrie
Page 13
2.4 Exercices
Exercice 1
La quantité de bases azotées d'une molécule d'ADN a été calculée. Le contenu en bases G--C de cette molécule est de
32%.
1. Déduisez les pourcentages respectifs de chaque base azotée (A, T, G, C).
2. Proposez une séquence de 20 nucléotides issue d'une molécule d'ADN respectant ces pourcentages.
Exercice 2
Le séquençage automatique d'un fragment d'ADN a donné le résultat présenté dans la Figure ci-dessous.
1. À partir des données indiquées sur l'écran, reconstituez la séquence du fragment d'ADN étudié.
2. Écrivez la séquence complémentaire de cette séquence.
Exercice 3
Une expérience de clonage est réalisée entre deux espèces de
souris. Le processus est décrit dans la Figure.
1. Proposez une légende pour chaque étape de l'expérience (de 1
à 4).
2. À partir de vos connaissances sur le noyau, déduisez de quelle
couleur vont être les souriceaux issus de la mère porteuse.
3. Quel autre moyen aurait permis d'obtenir des souriceaux de
cette couleur?
Page 14
3 Le phénotype aux différentes échelles
3.1 Diversité et origine des phénotypes
3.1.1 Différentes échelles de phénotype: étude de l'exemple de la drépanocytose
phénotype: ensemble des caractères observables d'un individu. Généralement l'usage de ce terme est restrictif: le
phénotype est considéré au niveau d'un seul caractère.
En 1904, James Herrick, médecin à Chicago, examine un étudiant noir âgé de 20 ans, hospitalisé pour toux et fièvre.
Le malade est faible, sujet à des vertiges et souffre de maux de tête. Depuis un an, il ressent des palpitations et un es
soufflement, mais aussi des crises douloureuses notamment au niveau des articulations.
L'examen de son sang montre que le malade est très anémique (le nombre de ses hématies n'atteint que la moitié de la
valeur normale). L'observation d'un frottis sanguin montre des hématies inhabituelles que James Herrick décrit en ces
termes: "la forme des globules rouges était très irrégulière. Mais ce qui attire particulièrement l'attention, c'était le
grand nombre de formes minces, allongées, en forme de faucille ou de croissant". Ces hématies falciformes sont plus
rigides et plus fragiles que les hématies normales.
Plus récemment, l'échodoppler a permis de visualiser et de mesurer l'écoulement sanguin d'un vaisseau. Les tissus
sont en gris et blanc, les vaisseaux en couleur (rouge et bleu ici). La comparaison des deux échodopplers montre ici
un ralentissement et par endroits un arrêt de la circulation sanguine chez l'individu atteint de drépanocytose.
Comment décririez vous le phénotype au niveau de l'organe?
Les observations de James Herrick et les données d'échodoppler convergent pour souligner une mauvaise circulation du sang chez les
individus malades.
Quel est le phénotype associé au niveau de la cellule?
Forme altérée des hématies: hématies falciformes.
Lequel semble être la conséquence de l'autre?
Le phénotype au niveau cellulaire explique le phénotype au niveau de l'organe étant donné que les hématies falciformes, plus rigides
et plus fragiles bouchent facilement les vaisseaux sanguins, gênant ainsi la circulation du sang.
Page 15
Polymorphisme de la couleur des yeux chez l'Homme
Échodoppler au niveau des capil
laires sanguins: le phénotype au ni
veau de l'organe.
Page 16
L'hémoglobine est la protéine la plus abondante dans le cytoplasme des globules rouges. C'est cette molécule qui
permet le transport du dioxygène par le sang.
protéine: molécule biologique composée fondamentalement de C, H, O, N et résultant de la polymérisation d'au
moins 50 acides aminés en une ou plusieurs chaînes polypeptidiques.
On réalise une électrophorèse de
cette protéine purifiée. Le résultat
est présenté dans la Figure
suivante. L'électrophorèse est une
méthode physico-chimique de sé
paration et d'analyse des molécules.
Elle repose sur la migration des
molécules ionisées dans un champ
électrique. Quelle information sur
la taille de l'hémoglobine des sujets
malades (HbS) l'électrophorèse
vous apporte-t-elle?
Électrophorèse de plusieurs globines (à
gauche) et électrophorèse comparée de
l'hémoglobine d'un sujet sain (HbA) et
d'un sujet malade (HbS)
Sur le premier résultat on peut remarquer que les molécules les plus grosses migrent plus loin. Ainsi on peut déduire du second sché
ma que l'hémoglobine des sujets malades (HbS) est plus grosse que l'hémoglobine des sujets sains.
Les micrographies ci-dessous mettent en évidence le phénotype moléculaire de la drépanocytose. En quoi le phéno
type moléculaire est-il lié au phénotype cellulaire?
Micrographie électronique
du contenu d'une hématie
de sujet drépanocytaire
Micrographie électronique
d'une hématie de sujet sain
C'est la polymérisation des molécules d'HbS qui forme des fibres et déforme les hématies. Le phénotype moléculaire détermine donc
la phénotype au niveau cellulaire et finalement tous les autres niveaux de phénotype.
Page 17
La drépanocytose: bilan du niveau moléculaire au niveau cellulaire
Page 18
3.1.2 La synthèse des protéines
Elle est le lien entre le génotype et le phénotype moléculaire qui lui même détermine tous les niveaux supérieurs.
La relation entre l'ADN et les protéines est étudiée par le biais de souches anormales de Neurospora crassa (un champi
gnon) par Beadle et Tatum dans les années 40. Une souche sauvage est soumise à un bombardement aux rayons X.
Les souches anormales obtenues sont sélectionnés sur leur incapacité à synthétiser l'arginine.
souche sauvage: souche « normale », en général celle qui prédomine dans la nature
L'arginine est synthétisée en plusieurs étapes par ces champignons. Grâce aux résultats présentés dans le tableau
suivant, déterminez les niveaux de la chaîne de synthèse de l'arginine où les souches A, B et C sont affectés.
Biosynthèse de l'arginine chez Neurospora crassa
La souche A est déficiente au moins en E3. La souche B est déficiente au moins en E2 et la souche C est déficiente en E1.
Les molécules E1, E2 et E3 sont des enzymes, c'est-à-dire une catégorie de protéines qui sont actives dans la cellule
et permettent de synthétiser ou de dégrader d'autres éléments (comme l'arginine ici). Sachant que les rayons X ont
pour effet de détériorer l'ADN, essayez de reconstituer le raisonnement de Beadle et Tatum pour formuler la relation
entre ADN et protéines.
Les rayons X détériorent l'ADN et cela affecte la fonctionnalité des protéines. De plus, des souches peuvent être différemment affec
tées. Il y a donc visiblement il y a une colinéarité entre des zones de la molécule d'ADN et des enzyme ce qui expliquerait que dif
férentes souches, affectées à différents niveaux sur la molécule d'ADN présentent des déficiences à différents niveaux dans la chaîne
de biosynthèse de l'arginine.
Il y a des zones d'information sur l'ADN qui correspondent à des enzymes données. Ces zones sont nommées gènes.
Page 19
On peut vérifier cette hypothèse plus précisément chez une bactérie. Après détério
ration de l'ADN, certaines souches ne peuvent plus dégrader le lactose. On réalise
une électrophorèse des protéines présentes dans les deux souches et le résultat est
observé sur la figure ci-contre. Que pouvez-vous conclure quand à la relation entre la
déficience d'utilisation du lactose, le contenu en protéines et l'état de l'ADN?
Dans ce cas, on peut visualiser directement le fait que la déficience dans l'utilisation du lactose est
due à l'absence d'une protéine donnée: la beta-galactosidase. Son absence est probablement liée à
une dégradation de l'ADN à l'endroit qui code pour la beta-galactosidase.
Électrophorèse du contenu en protéines de
deux souches de bactéries: à gauche une
souche ne pouvant utiliser le lactose, à droite
une souche pouvant l'utiliser
La correspondance entre ADN et protéine peut être mieux comprise en observant la structure de ces deux molécules
présentée dans la figure de la page suivante.
Nous pouvons observer qu'il y a dans les deux cas une séquence donnée de monomères. Mais y a-t-il correspondance
entre ces deux séquences?
La colinéarité entre les deux types de molécule a été démontrée dans les années 60 par Yanovski. Il a identifié chez E.
coli de nombreux mutants de la chaîne A de la tryptophane synthase, une enzyme impliquée dans la voie de biosyn
thèse du tryptophane. Il a ensuite cartographié les mutations sur la molécule d'ADN et observé les changements dans
la séquences en acides aminés de la protéine. On observe cette colinéarité sur la figure ci-dessous.
Carte des mutations de la tryptophane synthase réalisée par Yanovski
Page 20
Schéma de la correspondance entre la structure de l'ADN et la structure des protéines
Page 21
L'objectif est maintenant d'expliquer cette correspondance: comment passer de l'ADN aux protéines?
3.1.2.1 De l'ADN à l'ARN: la transcription
L'observation en microscopie électronique à très fort
grossissement de l'ADN dans le noyau d'un cellule en
activité produit des images comme celle de la figure cicontre.
Les « branches » présentes sur l'ADN correspondent à
des molécules d'ARN. L'ARN est une molécule proche
de l'ADN, constituée d'un succession de nucléotides
composés d'un acide phosphorique, d'un sucre et d'une
base.
Mais dans ce cas le sucre est un ribose (d'où son nom
d'Acide RiboNucléique) et les bases sont G, C, A et U,
l'Uracyle, proche de la Thymine. De plus, la molécule
synthétisée est simple brin et non double.
Micrographie électronique à très fort grossissement du noyau
d'une cellule en activité
La transcription s'effectue dans le noyau des cellules eucaryotes. L'ADN possède, en de nombreux points, des « uni
tés de transcription ». Au niveau de celles-ci, un complexe enzymatique nommé ARN polymérase peut:
1. reconnaître des motifs précis (séquences) sur l'ADN qui déterminent le brin à transcrire et le sens de la
transcription.
2. ouvrir la molécule d'ADN au niveau des liaisons entre les bases azotées complémentaires
3. démarrer la synthèse de la chaîne d'ARN en fonction de la correspondance G-C, A-U
4. la terminer à un niveau précis
Schéma bilan de la synthèse de l'ARN: la transcription
Page 22
On désire ensuite suivre le devenir de l'ARN produit à partir de l'ADN. Pour cela, on réalise un court « pulse » d'U
radioactif, qui est incorporé aux molécules d'ARN synthétisées, suivi par une période de « chase » pendant laquelle les
cellules sont mises en culture sur un milieu contenant de l'Uracyle non radioactif. On réalise enfin des autoradiogra
phies des cellules après divers temps de chase. Le principe de l'autoradiographie repose sur le fait que les molécules
d'U radioactif (U*) se déchargent de leur radioactivité et que ceci imprime une plaque photographique. Les zones im
pressionnées sont donc les zones radioactives: les zones où se situent l'ARN synthétisé pendant la période de pulse.
Le résultat est présenté sur la figure ci-dessous. Que pouvez-vous dire de la localisation des molécules d'ARN?
Résultat d'une expérience d'autoradiographie
On observe sur la Figure que les précipités d'argent qui localisent les molécules d'ARN marquées se déplacent de l'intérieur vers
l'extérieur du noyau: vers le cytoplasme.
3.1.2.2 De l'ARN aux protéines: la traduction.
Une autre micrographie à fort grossissement
explore alors le cytoplasme de la cellule. On
peut ainsi détecter des images telles que celle
présentée et interprétée par la figure ci-contre.
Les structures identifiées sont des assemblages
de ribosomes sur une molécule d'ARN. Cet
ARN est celui qui provient de la transcription
dans le noyau et qui apporte donc le message
contenu dans l'ADN vers le cytoplasme. On le
nomme ARN message (ARNm).
ribosome: structure cytoplasmique constituée
par l'association d'ARN et de protéines au ni
veau de laquelle se réalise la synthèse des pro
téines.
Micrographie à très fort grossissement d'une portion cytoplasme d'une
cellule en activité.
Page 23
La fixation d'un ribosome sur une molécule d'ARNm démarre la traduction de cet ARNm en protéine. La Figure cidessous explique les trois étapes de ce processus:
1. le ribosome lit l'ARN jusqu'à trouver un groupe précis de trois bases: AUG. C'est l'initiation.
2. Suit alors l'élongation: le ribosome lit l'ARN par groupes de trois bases (un groupe est appelé codon) et as
socie à chaque codon un acide aminé donné, qui lui correspond. Ces acides aminés sont amenés par le biais
d'autres molécules d'ARN appelés ARN de transfert (ARNt). C'est le ribosome associé à cet ARNt qui
permet de créer la liaison entre deux acides aminés (nommée liaison peptidique).
3. la terminaison est déterminée par la présence d'un codon STOP.
Schéma bilan de la synthèse des protéines: la traduction
Comme nous venons de le voir, la correspondance entre
ARN (donc ADN) et protéines se fait par l'intermédiaire
d'un code qui associe 3 nucléotides à un acide aminé.
Cette correspondance est universelle et définit le code
génétique. Quelle caractéristique principale pouvez vous
donner à ce code?
Le code semble très redondant: plusieurs codons codent souvent
pour le même acide aminé.
Le code génétique: il est univer
sel
Transcrivez la séquence d'ADN suivante en ARN puis, en utilisant ce code, traduisez la séquence d'ARN en acides
aminés.
T A C T G G C G A C T G T C T A C C A T T
A U G A C C G C U G A C A G A U G G U A A
Met – Thr – Ala – Asp – Arg – Trp - STOP
Page 24
Bilan
La synthèse des protéines
gène: séquence de nucléotides d'un segment d'ADN déterminant la séquences d'acides aminés de la protéine formée
après transcription et traduction.
transcription: transfert de l'information génétique correspondant à un gène à une chaîne nucléotidique simple brin,
l'ARN.
traduction: synthèse protéique à partir de l'information des ARNm, au niveau des ribosomes assemblés en poly
somes.
Page 25
3.1.3 Les mutations: origine de la variabilité génétique
La mucoviscidose est une maladie grave qui atteint près d’un enfant sur 2500 en France, sans distinction de sexe. Le
gène affecté contrôle la synthèse d’une protéine de la membrane plasmique des cellules de l'épithélium pulmonaire.
Le nom de la maladie est du à l’abondant mucus sécrété par cet épithélium.
Dans la figure suivante, la séquence du gène est analysée, chez un sujet sain (les deux copies sont identiques) et chez
un sujet malade (les deux copies présentées ici toutes deux présentent chez les individus malades). De plus, l’arbre gé
néalogique d’une famille dans laquelle cette maladie est présente est représenté.
Comparaison de séquence et hérédité
dans le cas de la mucoviscidose
Comparez les séquences déterminées pour le gène impliqué et précisez les différences constatées.
Substitution de T par A + délétion de trois bases: CTT
Dans le noyau d’une cellule du corps humain, il y a 46 chromosomes qui sont groupés en 23 paires. Il y a donc deux
copies de chaque gène (une sur chaque chromosome). Elles peuvent être identiques ou différentes.
allèles: séquences nucléotidiques possibles sur une molécule d’ADN correspondant aux différentes formes d’un
même gène.
Il peut donc y avoir deux allèles différents d'un même gène chez un individu. L’expression de ces copies peut se faire
de différente façons et on caractérise le rapport entre le génotype et le phénotype associé par les termes suivants:
dominant: une seule copie de l’allèle détermine le phénotype.
récessif: il faut que les deux copies soient identiques pour déterminer le phénotype. Sinon, c’est l'autre copie (qui est
alors dominante) qui détermine le phénotype.
codominant: les effets des deux copies sont simultanément visibles. Le phénotype est donc déterminé par les deux
allèles à la fois.
Page 26
À partir des définitions ci-dessus, déterminez laquelle caractérise cette maladie?
Récessive: les deux allèles présentent des anomalies chez les personnes atteintes. De plus on observe que des parents sains peuvent
donner naissance à des enfants malades: les parents sont porteurs d'un seul allèle anormal chacun et ne sont pourtant pas malades
(la maladie n'est donc ni dominante, ni même codominante).
Une mutation est l'altération de la séquence d’un gène, comme ici dans le cas de la mucoviscidose.
La figure suivante détaille les effets possible des Ultra-Violets (UV) solaires sur l’ADN des cellules de la peau.
Effet des UV sur les cellules de la peau
D’après vos connaissances sur la transcription, quel problème peut poser une telle configuration au niveau de la mo
lécule d’ADN?
Mauvais appariement et « saut » dans la transcription.
Sachant que la réplication de l’ADN se fait de la même façon que la transcription, une mutation est-elle présente dans
la descendance de la cellule (celles qui en sont issues après division cellulaire)?
Oui, la mutation est présente.
Ces modification de l'ADN sont classées en différents types:
•
les délétions: suppression d'un ou plusieurs nucléotides.
•
les additions: ajout d'un ou plusieurs nucléotides.
•
les substitutions: remplacement d'un nucléotide par un autre, ce qui entraîne un mauvais appariement avec
le nucléotide sur le brin complémentaire.
Dans le cas précédent quel type de mutation implique l'action des UV?
Une délétion lors de la réplication du brin d'ADN muté: il y a un mauvais appariement avec les nucléotides correspondants et ils
sont sautés.
Elles ont des conséquences diverses sur la transcription et la réplication de l'ADN.
Page 27
D’après vos connaissances sur la reproduction chez les mammifères, déterminez si la descendance des individus re
présentés dans la Figure suivante portera ou non la mutation qui affecte leur père.
Influence des mutations somatiques ou germinales
Page 28
3.1.4 Les enzymes et le polymorphisme moléculaire
Les enzymes sont des protéines au rôle biologique important. L'expérience suivante peut permettre de mettre leur
rôle en évidence: une solution d'amidon est séparées en 3 lots:
1. amidon + salive
2. amidon + salive bouillie
3. amidon + eau distillée (Témoin)
Des prélèvements sont effectués à intervalles de
temps réguliers et du lugol est ajouté à chaque
prélèvement. Le lugol colore l'amidon en brunviolet. Que pouvez-vous conclure quand à l'ac
tion de la salive? À quel genre de substance cette
action peut-elle être due (justifiez votre réponse)?
Amidon mis en présence de plusieurs substances
La salive contient une substance dénaturable par la chaleur qui catalyse la réaction de dégradation de l'amidon. Cette substance est
une protéine (effet de la chaleur) nommée amylase.
Si l'amidon est mis en présence d'eau suffisamment longtemps, il finit par être dégradé. La substance contenue dans
la salive ne fait donc qu'accélérer la réaction.
Nous étudions maintenant la réaction inverse: la synthèse d'amidon à partir de sucres simples. Cette réaction est éga
lement facilitée par la présence d'une enzyme. Comment varie la vitesse de la réaction en fonction de la température
et de la concentration en enzyme?
La vitesse de réaction augmente en fonction de la température jusqu'à
30° et diminue ensuite. La réaction semble être arrêtée a 0° ou à 65°
et au delà.
La diminution de la concentration en enzyme entraîne une diminution
de la vitesse de la réaction.
Page 29
Connaissant la nature d'une enzyme, pouvez- vous proposer une hypothèse pour expliquer l'influence de la tempéra
ture sur la vitesse de réaction dans le cas des températures élevées?
Les enzymes sont des protéines. Nous pouvons donc penser qu'elles sont dénaturées et que leur action est donc altérée lorsque la
température est trop élevée. Il est difficile de faire une hypothèse concernant l'effet des basses températures.
Les enzymes sont qualifiées de bio-catalyseurs.
catalyseur: substance chimique qui, à très faible concentration, augmente la vitesse d'une réaction.
Étant donné cette définition pouvez-vous tout de même expliquer l'influence de la concentration en enzyme sur la vi
tesse de réaction?
Les enzymes sont actives dès une très faible concentration, conformément à leur définition de bio-catalyseurs. Cependant, la
concentration en enzyme semble limitante ici. Il est donc probable qu'il y ait une relation directe entre le substrat de la réaction et
l'enzyme, une relation un-pour-un qui implique que à trop faible concentration, toutes les molécules d'enzyme sont en relation avec
un substrat et la vitesse de réaction est donc limitée par leur abondance.
La concentration en enzyme et la température semblent jouer un rôle sur la catalyse enzymatique. Proposez un dispo
sitif pour tester l'effet du pH (=de l'acidité du milieu) sur l'activité enzymatique.
Page 30
Pour information, la réaction de dégradation de l'amidon, catalysée
par l'amylase, est présentée dans la figure ci-contre.
La dégradation de l'amidon
La réaction un-à-un entre l'enzyme et sont substrat, à la base du fonctionnement des enzymes est expliquée par le sc
héma suivant.
La catalyse enzymatique
L'activité enzymatique est un exemple de phénotype moléculaire intéressant. En effet, une électrophorèse permet
souvent de détecter un très fort polymorphisme enzymatique: il existe de nombreuses formes différentes de la mo
lécule. Pourtant son activité n'est pas forcément affectée. Cela tient au fait que si le site actif de l'enzyme n'est pas af
fecté, son fonctionnement (détaillé dans la figure ci-dessus) n'est pas vraiment affecté non plus.
Page 31
3.2 Du sexe génétique au sexe phénotypique
Comparez les chromosomes X et Y sur la figure de la page suivante. Que peut-on dire de l’information génétique
portée par ces chromosomes?
Y plus petit que X
l’information génétique est redondante pour une partie. mais il y a forcément des gènes spécifiques à X et nous pouvons observer
qu'il y a également des gènes spécifiques a Y.
Comment peut-on qualifier le déterminisme du sexe (récessif, dominant, codominant)?
Y dominant.
Au cours de la formation des gamètes (méiose)
il y a parfois échange de portions de chromo
somes. La figure suivante présente les résultats
d’un tel échange. À partir de l’analyse de ce cas,
dites ce qui semble déterminant, du point de
vue chromosomique, dans l’établissement du
sexe?
la région SRY du chromosome Y seule.
Observation du résultat d'un échange d'une portion
de chromosome au cours de la formation des ga
mètes
Maintenant que nous avons localisé le déterminant génétique du sexe, il reste a comprendre comment se fait le pas
sage du génotype (XX ou XY) au phénotype (femme ou homme). La différenciation sexuelle est présentée au niveau
anatomique dans la figure de la page suivante. Il y a, dans chaque cas, régression sélective d’un type de canal (Müller
ou Wolf) et apparition d’organes génitaux externes.
Le tableau ci-dessous présente les résultat d’une expérience de castration de foetus de lapin au stade 19 jours. À ce
stade, les organes génitaux peuvent être reconnus mais la différenciation du tractus génital détaillée auparavant n’a
pas encore eu lieu. On les laisse ensuite se développer jusqu’au terme normal de la grossesse (28 jours).
Analysez les conséquences des expériences de castration.
La castration chez la femelle n’a aucune influence. Il ne semble donc pas que les gonades femelles jouent un rôle dans la différencia
tion du tractus génital.
La castration chez le mâle induit le développement du tractus génital femelle. Ceci indique que les gonades jouent un rôle important
dans le développement du tractus en tractus mâle.
Page 32
Développement de l'appareil génital chez l'Homme et la Femme
Expériences de castration
Page 33
Pour préciser l’effet observé, des gonades mâles sont greffées sur un foetus femelle de 19 jours. Le résultat de cette
greffe est présenté dans la partie a de la figure ci-dessous. Analysez ce résultat et comparez le à l’effet de l’application
d’un dérivé de la testostérone (hormone produite par les gonades mâles) présenté en b.
La greffe de testicule induit la disparition du canal de Müller, le maintien du canal de Wolf et réduit le développement de l’ovaire.
Ceci confirme le résultat des expérience de castration et indique que c’est une substance diffusant depuis e testicule qui a cet effet.
L’application d’un dérivé de la testostérone diminue seulement le développement de l’ovaire mais n’a pas d’influence sur le dévelop
pement des canaux. La testostérone est donc probablement une des substances qui diffusent depuis le testicule mais n’est pas la
seule.
Pour aller plus loin, les taux de deux hormones sont dosés dans le sang. La concentration de testostérone est suivie
chez l’homme. Le taux d’hormone anti-müllerienne est suivi chez le veau, pour un individu mâle et un individu fe
melle.
Page 34
Analysez l’évolution des concentrations de ces deux hormones et reprenez les résultats ci-dessus au vu de votre ana
lyse. Vous pouvez réaliser un schéma pour vous aider à synthétiser vos conclusions.
Il y a un pic de testostérone chez les foetus mâles avant l’accouchement. au vu des résultats ci-dessus, il pourrait expliquer le déve
loppement des gonades mâle et la régression des gonades femelle.
Le taux d'AMH n'est élevé que chez les foetus mâles. Cette hormone serait donc à l'origine de la régression des canaux de Müller
chez les mâles.
À partir de tous les résultats précédents, commentez l’expression: “le sexe féminin est un sexe par défaut”.
Le développement normal du foetus se fait vers une forme femelle. Ce n’est que l’intervention de certains facteurs, spécifiques aux
mâles, qui induit le développement des caractères génitaux mâles.
Page 35
Schéma bilan: le contrôle hormonal du développement des caractères sexuels
Page 36
3.3 Gènes, environnement et phénotype
La relation entre génotype et phénotype a été détaillée dans plusieurs exemples précédemment (drépanocytose, déve
loppement des caractères sexuels etc.). Dans tous les cas, un génotype donné entraîne l’apparition d’un phénotype as
socié. Pour plus de clarté, on rappellera les définitions:
génotype: combinaison des deux allèles de chaque gène présents dans la cellule. Cette définition est élargie à l’échelle
de l’individu pour lequel on définit le génotype comme l’équipement allélique pour l’ensemble des gènes présents
dans ses cellules.
phénotype: ensemble des caractères observables d'un individu. Généralement l'usage de ce terme est restrictif: le
phénotype est considéré au niveau d'un seul caractère.
Cependant certains facteurs (dominance, récessivité) peuvent compliquer la relation génotype-phénotype. Nous al
lons nous intéresser plus précisément à cette relation.
3.3.1 Un phénotype, des génotypes
La figure ci-contre présente des expériences d’agglutina
tion du sang par des sérums tests. Les hématies portent
à leur surface des glycoprotéines (protéines+glucide) qui
caractérisent les groupes sanguins A, B, AB ou O. Les
sérums contiennent des anticorps capables de se lier
spécifique à un type de glycoprotéine (A ou B) et d’ag
glutiner alors les hématies quand ils sont liés.
Sachant que l’expression des allèles A ou B est codomi
nante, déterminez le génotype associé au phénotype AB.
Un allèle A, un allèle B.
Même question pour le phénotype O.
Pas d’allèle A ni d’allèle B. Le groupe O correspond à une dé
ficience dans la fabrication des glycoprotéines.
Montrez pour les phénotypes A ou B plusieurs géno
types sont possibles et identifiez-les.
A = AA ou AO
B = BB ou BO
Test d'agglutination permettant de déterminer le groupe sanguin
Page 37
3.3.2 Un génotype, des phénotypes: l’influence de l’environnement
Les fleurs d’hortensia présentées dans la figure ci-contre sont toutes portées
par le même pied. Elles ont donc toutes exactement le même génotype.
Pourtant elles ont des couleurs très différentes: du rose au violet. Il semble
qu’un autre facteur joue entre le génotype et son expression phénotypique.
Ici cela est notamment du à la concentration en Fer, absorbé dans le sol et
réparti inégalement dans la plante. Plus les fleurs reçoivent de Fer plus elles
sont bleues. C’est pour cela qu’il faut mettre des clous rouillés au pied des
hortensias si on désire les voir faire des fleurs bleues ou violettes! Il faut en
retenir qu’un facteur environnemental module l’expression du génotype.
Nous pouvons nous intéresser à la modulation de l’expression des gènes
dans un cas plu proche de nous: le déterminisme du cancer colorectal chez
l’Homme. Dans les pays occidentaux cette maladies est un source très
fréquente de mortalité (15000 décès par an en France).
Le tableau ci-dessous présente les résultats d’études diététiques sur des per
sonnes ayant migré de pays à faible fréquence de cancer colorectal vers les
pays occidentaux. En effet, en quelques générations, le taux de cancers colo
rectaux de ces populations rejoint celui des personnes résidant depuis tou
jours dans les pays occidentaux, traduisant un fort effet du milieu de vie et
notamment de l’alimentation.
Identifiez les aliments susceptibles de favoriser un cancer
colorectal.
Graisses, viande, alcool.
Relations entre alimentation et développement des
cancers colorectaux en France
Au vu de ces résultats, proposez un ex
plication à la répartition des cancers
colorectaux en France, présentée dans
la carte ci-dessous.
Régime alimentaire moins sain, avec no
tamment plus des trois facteurs aggravants
cités ci-dessus.
De plus, ce type de cancer est souvent
présent chez des individus de la même
famille et que dans 60 à 80% des cas
on note la présence d’allèles mutés
d’un gène du chromosome 5. Quels
type de facteurs jouent d’après vous
dans le déterminisme de cette maladie?
Déterminisme génétique et environnemental.
Page 38
4 Développement et contrôle du développement
4.1 Le développement des animaux
Le développement des animaux passe par une phase de multiplication cellulaire et d’organisation dans l’espace assez
similaire chez tous les Vertébrés comme cela est montré sur le schéma de la page suivante. Comment cette proliféra
tion cellulaire et cette organisation sont-elle contrôlées?
Chez la Drosophile, on peut observer des malformations développementales comme celle photographiée page
suivante. Des pattes sont présentent à la place des antennes. Ces pattes sont normalement formées et cela ressemble
simplement à une erreur « d’adressage ». Ce type de mutation est nommée mutation homéotique: les éléments sont
correctement formés mais mal placés.
gène homéotique: gène du développement dont la mutation entraîne la transformation d’une partie du corps en
structure(s) d’une autre partie.
Que peut-on dire de l’organisation des gènes homéotiques sur les chromosomes de la Drosophile et de la Souris?
La position des gènes sur les chromosomes est en relation avec la position des structures associées le long de l’axe antéro-postérieur.
C’est la règle de colinéarité.
Les complexes sont très similaires chez la Drosophile et la Souris. Ils sont nommés gènes HOM chez la Drosophile et gènes Hox
chez les Mammifères.
Tous ces gènes sont très similaire et leur mode d’action est identique. Toutes les protéines régulatrices qu’ils codent
possèdent un homéodomaine qui a la propriété de se lier à l’ADN.
homéoboîte: séquence d’ADN d’un gène de développement qui détermine une séquence particulière de la protéine,
nommée homéodomaine.
homéodomaine: séquence de la protéine produite par les gènes à homéoboîte qui se lie spécifiquement à d'autres
gènes dont elle contrôle l’expression.
Page 39
Stades semblables des embryons de Vertébrés
Micrographie électronique de la tête d'une Drosophile sauvage et d'une drosophile mutante antennapedia
Page 40
Organisation des gènes homéotiques au niveau chromosomique et localisation de la zone d'ac
tion de leurs produits chez la Souris (à gauche) et la Drosophile (à droite)
Mode d'action des gènes homéotiques
Page 41
4.2 La morphogénèse des végétaux
4.2.1 Morphologie et croissance
Sur la premières photographie, identifiez les différents éléments caractéristiques de la morphologie de la Morelle en
vous aidant des numéros sur le croquis.
1. Tige
2. Racines
3. Feuille
4. Bourgeon axillaire
5. Bourgeon terminal
6. Fruits
7. Fleur
Identifiez les organes en croissance sur la figure suivante.
Racine, tige et feuilles.
Formulez une ou plusieurs hypothèses concernant la localisation des zones à l’origine de la croissance de la plantule.
1. multiplication et croissance de toutes les cellules
2. zones de croissance spécifique dans la racine, la tige et les feuilles
À partir de l'expérience de marquage de la racine de petit pois, discutez le rôle de l’apex dans sa croissance.
apex: zone située à l’extrémité d’une racine (apex racinaire) ou d’une tige (apex caulinaire).
C’est à l’apex qu’est localisée la zone de croissance racinaire (sub-apicale en réalité).
Comparez les structures cellulaires observées sur les différentes sections transversales de racine.
Cellules plus allongées et plus vacuolisées quand on s’éloigne de l’apex.
Page 42
Quels sont, d'après vous, les mécanismes cellulaires à l’origine de la croissance de la racine.
Mitose au niveau de l’apex et élongation des cellules ensuite (mérèse puis auxèse).
Les cellules en division au niveau de l’extrémité de la racine font partie du méristème racinaire.
méristème: massif de cellules indifférenciées, à fort pouvoir de division, et à l’origine des nouvelles cellules néces
saires à la construction des organes végétaux.
4.2.2 La mitose
Tracez le graphique de l’évolution de la quantité d’ADN (en Unité Arbitraires) d’une cellule en fonction du temps au
cours du cycle cellulaire en y indiquant, sous l’axe du temps, les limites et les noms des étapes du cycle cellulaire.
Expliquez comment la succession interphase/mitose permet une conservation de la quantité de matériel génétique
nucléaire?
Réplication (multiplication par deux) puis division (division par deux).
Page 43
Morphologie d'une Morelle
Page 44
Germination d'une plantule de Pois
Expérience simple de marquage de la racine de Pois et identification
des zones en croissance
Page 45
Micrographies de coupes transversales de racine de Pois à diverses distances de l'apex
Page 46
Les étapes du cycle cellulaire et les variations de l'état et de la quantité de matériel génétique associées
Page 47
Une micrographie électronique à l’intérieur du noyau en divi
sion montre des figures de ce type. Elles sont nommées
« fourches de réplication ». Le schéma ci-dessous détaille ce
qui se passe au départ des fourches (au niveau des flèches).
Identification des fourches de réplication
en microscopie par Meselson et Stahl
La réplication de l'ADN
La réplication de l’ADN se fait en deux étapes:
1. Le complexe 1 ouvre la double hélice. Ce complexe détruit les liaison faibles entre les bases complémentaires de la
double hélice.
2. Le complexe 2 construit les brins complémentaires en ajoutant les nucléotides un par un face au brin modèle
suivant la loi de complémentarité des bases azotées.
Page 48
Le schéma ci-dessous rappelle la succession des étapes du cycle cellulaire et détaille les évènements de remaniement
du matériel génétique. Il met en évidence le fait que la mitose est très courte par rapport à l’interphase.
Le cycle cellulaire, schéma bilan
Ces photos présentent une mitose animale. On peut remarquer que les évènements semblent identiques au niveau du
matériel génétique.
Mitose animale observée au microscope optique
Page 49
4.2.3 Le contrôle de la croissance par l’auxine
La croissance végétale est visiblement ordonnée donc contrôlée. Les expériences ci-dessous étudient le rôle de la lu
mière dans le contrôle de la croissance d’une jeune pousse de blé. Ces pousses montrent en effet un phototropisme.
phototropisme: croissance orientée vers une source de lumière, se manifestant par une réaction de courbure de l’or
gane en croissance.
À partir des expériences de Darwin, précisez quelle partie de la plantule intervient dans la réaction phototropique.
L’apex.
À partir des expériences de Boysen-Jensen, justifiez le fait que ce qui est à l’origine de la réaction est une substance
diffusible.
La première partie de l’expérience prouve que ce n’est pas une connexion anatomique qui est à l’origine de la courbure.
La seconde partie de l’expérience montre que le message de courbure est toujours transmis à travers un cube de gélose. La substance
à véhiculant se message diffuse donc depuis l’apex et elle peut diffuser à travers la gélose.
L’expérience de Paàl donne une indication sur le côté de la tige sur lequel agit la substance. Quel est ce côté? Quel
mécanisme pourrait entraîner la courbure sachant que c’est ce côté qui est mis en jeu?
Le côté concerné par le message est le coté « extérieur » à la courbure. On peut imaginer que c’est une croissance cellulaire l'accélérée
de ce côté qui est à l’origine de la courbure.
Page 50
L’expérience de Went vient corroborer les précédentes. Synthétisez vos hypothèses quand au mécanisme de contrôle
de la croissance des jeunes pousses de Blé sous forme d’un schéma ou d’un court texte.
L’apex des coléoptiles de Blé soumis à un environnement lumineux anisotrope produit une substance qui diffuse de façon également
anisotrope vers la zone sub-apicale. Cette substance entraîne une croissance plus rapide du côté opposé à la source de lumière ce qui
a pour conséquence une courbure de la tige vers la lumière.
La substance à l’origine du phototropisme des coléoptiles de Blé a été identifiée et purifiée à l’aide de méthodes simi
laires à celle utilisée dans l’expérience de Went. Cette substance est nommée auxine et c’est la première hormone vé
gétale qui à avoir été identifiée.
hormone: substance chimique produite par des cellules et agissant à distance sur d’autres cellules cibles en modifiant
leur activité.
4.2.4 Génétique et environnement dans le développement végétal
La photographie ci-contre permet de comparer
l’appareil racine de deux plants de Maïs cultivés
dans des conditions identiques. Ces deux plants
n’ont cependant pas le même patrimoine géné
tique. cela souligne le fait que l’information géné
tique contrôle la morphologie des plants.
Les expériences sur le phototropisme montrent
que l’environnement , notamment l’isotropie de
l’éclairement, jour également un rôle dans la mor
phogénèse des plantes.
L’image ci-de la page suivante représente deux
germination de pois dans des conditions d’éclai
rement différentes. Détaillez les différences mor
phologiques entre les deux plantules.
Appareils racinaires de deux plans de Maïs de génotype différent (A est
le plant sauvage, B est un plan muté)
La plantule à l’obscurité est plus grande du fait d’un allongement plus important des entre-noeuds.
Cela est une nouvelle preuve de l’influence de l’environnement.
Page 51
La photographie ci-contre met en évi
dence la modification du port de deux
arbres sous l’effet d’un autre facteur de
l’environnement. Quel est-il?
Le vent.
Le déterminisme de la morphologie des végétaux semble donc à la fois génétique et environnemental. Les observa
tions suivantes détaillent l’influence du patrimoine génétique.
Page 52
Deux fleurs de plantes mutantes sont comparées à la fleur d’un plant sauvage d’Arabidopsis thaliana, une plante com
mune des prairies ou des friches. La représentation en diagramme floral permet une comparaison plus efficace.
Mutant 1
Mutant 2
Diagramme floral d'Arabidopsis thaliana
Dites quels éléments de la fleurs sont inhabituels chez les mutants.
Mutant 1: carpelles et étamines à la place des pétales et sépales.
Mutant 2: pétales et sépales à la place des étamines et des carpelles.
Ces éléments vous paraissent-ils anormaux dans une fleur ou simplement mal placés? Dans ce cas, comment qualifie
riez vous ce type de mutation?
Mal placés, les mutations sont donc des mutations homéotiques: des éléments bien formés sont mal placés.
Les gènes homéotiques des plantes sont assez différents de ceux des animaux et il n’y a plus ici de règle de colinéarité
par exemple. Cependant le mode d’action de ces gènes est assez proche de celui est gènes animaux: traduction en fac
teurs de transcription qui régule l’expression d’autres gènes en se fixant sur l’ADN.
Page 53
Première partie: de l'ADN à l'individu
1 La cellule......................................................................................................................................................................1
1.1 Observation de cellules.....................................................................................................................................1
1.1.1 Cellule animale.......................................................................................................... ..................................1
1.1.2 Cellule végétale.............................................................................................................................................2
1.1.3 Cellule procaryote.........................................................................................................................................3
1.2 L'activité énergétique des cellules....................................................................................................................5
1.2.1 Respiration..................................................................................................................................................5
1.2.2 Photosynthèse...............................................................................................................................................5
1.2.3 Bilan...........................................................................................................................................................5
2 L'ADN, support universel de l'information génétique..........................................................................................9
2.1 Identification du matériel génétique...............................................................................................................9
2.1.1 Identification de la nature du matériel génétique............................................................................................9
2.1.2 Observation du noyau cellulaire..................................................................................................................10
2.2 Universalité de l'ADN....................................................................................................................................11
2.3 La structure de la molécule d'ADN..............................................................................................................11
2.4 Exercices...........................................................................................................................................................14
3 Le phénotype aux différentes échelles..................................................................................................................15
3.1 Diversité et origine des phénotypes..............................................................................................................15
3.1.1 Différentes échelles de phénotype: étude de l'exemple de la drépanocytose.......................................................15
3.1.2 La synthèse des protéines.................................................................................................................... ........19
3.1.2.1 De l'ADN à l'ARN: la transcription...............................................................................................................22
3.1.2.2 De l'ARN aux protéines: la traduction..............................................................................................................23
3.1.3 Les mutations: origine de la variabilité génétique........................................................................................26
3.1.4 Les enzymes et le polymorphisme moléculaire..............................................................................................29
3.2 Du sexe génétique au sexe phénotypique.....................................................................................................32
3.3 Gènes, environnement et phénotype............................................................................................................37
3.3.1 Un phénotype, des génotypes.......................................................................................................................37
3.3.2 Un génotype, des phénotypes: l’influence de l’environnement.........................................................................38
4 Développement et contrôle du développement...................................................................................................39
4.1 Le développement des animaux....................................................................................................................39
4.2 La morphogénèse des végétaux.....................................................................................................................42
4.2.1 Morphologie et croissance............................................................................................................................42
4.2.2 La mitose..................................................................................................................................................43
4.2.3 Le contrôle de la croissance par l’auxine.....................................................................................................50
4.2.4 Génétique et environnement dans le développement végétal...........................................................................51
Page 54

Partie 1, De l`ADN à l`individu

Transcription

Documents pareils

Correction du sujet de biologie moleculaire et genie genetique de

Article La Gazette du Laboratoire

La Cité des Arts et des Sciences Ciudad de las Artes y las Ciencias

Seconde partie Le fonctionnement de l`organisme

Hepatitis B Virus HBV

INTRODUCTION A LA GENETIQUE MOLECULAIRE

6- Jean Pierre Bronowicki Portage inactif VHB [Mode de compatibilité]

MRI_26Janv11_Cycle X..

Nutricia Flavour Sachets

Un résumé de cette présentation est en ligne derrière ce lien

Enquête : entretiens auprès de la population IADE au bloc

Rôle des interactions entre cellules tumorales et adipocytes dans le