Module 3: Génétique moléculaire SBI4U

Idées-clés L’ADN contient toute l’information génétique d’un organisme vivant. Les protéines assurent le contrôle d’un grand nombre de processus cellulaires. Les recherches en génétique et en biotechnologie entraînent des conséquences sur les plans social, éthique et juridique.

Attentes Décrire les principales découvertes ayant contribué à l’évolution de la génétique moléculaire et expliquer les mécanismes d’expression génétique. Analyser des processus cellulaires en appliquant la méthode scientifique. Analyser des enjeux environnementaux, sociaux et éthiques de l’avancement des recherches scientifiques en génomique.

Chapitres Chapitre 5: Structure et fonctions de l’ADN Chapitre 6: Expression génétique Chapitre 7: Recherche en génétique et biotechnologie

Chapitre 5: Structure et fonctions de l’ADN

5.1: La structure de l’ADN et l’organisation cellulaire

Question préparatoire À quelle époque Mendel a-t-il découvert les lois de la ségrégation?

Début 1900 * Les scientifiques savent que: Chromosomes transmettent les caractères. Matériel génétique (m.g.) = dans les chromosomes des cellules. M.g. : contrôle la production d’enzymes et protéines. M.g. : peut se reproduire (répliquer) précisément. Mutations occasionnelles durant la réplication. Ne savent pas si ce sont les protéines ou les acides nucléiques des chromosomes qui transmettent les caractères.

Recherche importante #1 * Scientifique: F. Griffith (1928) Conclusion: Des bactéries peuvent transmettre des caractéristiques à d’autres bactéries. « Principe transformant »

Recherche importante #2 * Scientifique: O. Avery (1944) Méthode: Bactéries pathogènes S tuées à la chaleur. Ouvrir Chaque extrait: enzyme différente (protéase, ARNase, ADNase) Ajouter à bactéries non pathogènes R Résultat: Avec ADNase: pas de transfert. Donc l’ADN est responsable de transmettre les traits. Conclusion: Principe transformant = ADN

Recherche importante #3 * Scientifiques: A. Hershey & M. Chase (1952) Méthode: Marquer ADN d’un bactériophage avec 32P. Mélanger bactériophage + bactéries. Réessayer, en marquant protéines du bactérioph. avec 35S. Résultat: Bactéries deviennent radioactives seulement lorsque ADN est marqué. Conclusion: C’est l’ADN qui est responsable de l’hérédité.

Purines vs. Pyrimidines * 2 anneaux 1 anneau Adèle gagne le train de Colin.

Loi de Chargaff: ses observations Organisme Adénine Thymine Guanine Cytosine Levure 31,3 32,9 18,7 17,1 Mouche à fruit 27,3 27,6 22,5 Souris 29,2 29,4 21,7 19,7 Humain 30,7 31,2 19,3 18,8 Selon toi, qu’a-t-il trouvé?

Loi de Chargaff * Dans l’ADN, le % de l’adénine est presque identique à celui de la thymine et que le % de la cytosine est presque identique à celui de la guanine.

Contexte Fin 1940, on sait que… On ne sait pas: Hérédité est transmise par l’ADN (Hershey & Chase) ADN = polymère de nucléotides = sucre + phosphate + base azotée (Levene) Bases azotes = proportions fixes (Chargaff) On ne sait pas: Quelle est la forme 3D de l’ADN?

Rosalind Franklin * Technique: diffraction des rayons x A trouvé que c’était une hélice avec: Répétition tous les 0,34 nm Répétition tous les 3,4 nm Controverse: n’a pas eu le prix Nobel

Watson & Crick * Ont construit un modèle de l’ADN (à partir des images de Franklin?). À cause des distances constantes, ont conclu que A-T et C- G. Publication dans Nature en 1953.

Structure de l’ADN * 2 chaînes de nucléotides Appariement des bases complémentaires Entre bases complémentaires = liaisons hydrogènes A-T = 2 liaisons C-G = 3 liaisons 2 brins sont antiparallèles Convention: séquence 5’ à 3’

La structure et l’organisation du matériel génétique Procaryotes Eucaryotes

Chez les procaryotes * ADN circulaire à doubles brins Nucléoïde (car pas de membrane nucléaire) 2 niveaux de condensation (enroulement): Boucles (protéines) Surenroulement Enzymes responsables de l’enroulement (bactéries): Topoisomérase I Topoisomérase II

Chez les procaryotes (suite) * Très peu d’ADN non essentiel Gène Régions régulatrices

Chez les eucaryotes * Plus d’ADN que les procaryotes. Endroit de l’ADN: Noyau Mitochondries Chloroplastes Très condensé (comme 150 km dans 1 boîte à chaussures). Multiples degrés d’organisation.

Chez les eucaryotes (suite) * ADN + histone (H2A, H2B, H3, H4) = nucléosome Entre histones = ADN internucléosomique Vert = autres protéines (échafaudage de soutien) Jaune = autres protéines

Nombre de gènes et complexité Mettez les organismes suivants en ordre croissant selon leur nombre de gènes. E. Coli (bactérie) Influenza (virus de la grippe) Humain Mouche Poule Vigne (plant de raisin)

La variation du génome des eucaryotes * Aucune corrélation entre complexité d’un organisme et son nombre de gènes. https://www.youtube.com/watch?v=5LXEQIyOYto

5.2: La réplication de l’ADN

Cycle cellulaire *

Modèles pour la réplication de l’ADN * Meselson et Stahl ont prouvé que c’est le modèle semi-conservateur qui est vrai.

Vérifie tes connaissances Quel est le principal objectif de la réplication de l’ADN? Pour quelle raison la réplication de l’ADN joue-t-elle un rôle important dans la reproduction cellulaire? Décris les 3 modèles proposés pour expliquer la réplication de l’ADN.

Les événements moléculaires dans la réplications de l’ADN * 3 phases Initiation Élongation Terminaison

Phase d’initiation * Réplication débute à l’origine de réplication (séquence spécifique de nucléotides). Double hélice est déroulée par hélicase (brise liaison H). Produit bulle de réplication. Gardé ouvert par: protéines fixatrices d’ADN monocaténaires. Voir Fig. 5.17 (p.223)

Phase d’élongation * Synthèse des nouveaux brins ADN polymérase III ajoute les nouvelles bases au brin parental Ajoute seulement des bases du côté 3’, donc besoin d’une amorce Pour un brin: 1 seule amorce (brin directeur) Pour l’autre brin: plusieurs amorces (brin discontinu) fragments d’Okazaki

Phase d’élongation (suite) * Amorce = court segment d’ARN qui est le complément d’une partie du brin d’ADN et sert de point de départ à l’ajout de nucléotides. ADN polymérase I: supprime les amorces d’ARN Ligase: relie des fragments ensemble

Phase de terminaison * Démantèlement de la machine de réplication.

La réplication de l’ADN en images Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=oebogqrX5F4

Votre tâche P.229 #1 à 7 (sauf 2)

La correction d’erreurs * 2 mécanismes: Instantané (par ADN polymérase II) Réparation des mésappariements(par d’autres enzymes)

Procaryotes vs. Eucaryotes * Similarités Origine de réplication Utilisation d’ADN polymérases Élongation 5’ → 3’ Différences Eucaryotes = plus lent et plusieurs origines de réplication Les ADN polymérases sont différentes (structures)

Chapitre 6: L’expression génétique

Quelle est la similarité? B

Activité de départ (p.243) Durée: 30 mins

6.1: Le transfert de l’information à partir de l’ADN

Historique Scientifique(s) Découverte Beadle & Tatum Hypothèse 1 gène / 1 polypeptide Sanger Chaque protéine a une séquence particulière d’acides aminés Mais comment?

Pourquoi pas? Hypothèse #1: Chaque base correspond à 1 acide aminé. Pourquoi pas? A-T-C-G-C-G-A-T-T-T-… Valine-alanine-glycine-cystéine-…

Pourquoi pas? Hypothèse #1: Chaque base correspond à 1 acide aminé. Pourquoi pas? A-T-C-G-C-G-A-T-T-T-… Valine-alanine-glycine-cystéine-… 4 options 20 options

Pourquoi pas? Hypothèse #2: Chaque paire de nucléotides correspond à 1 acide aminé. A-T-C-G-C-G-A-T-T-T-… Valine-alanine-glycine-cystéine-…

Pourquoi pas? Hypothèse #2: Chaque paire de nucléotides correspond à 1 acide aminé. A-T-C-G-C-G-A-T-T-T-… Valine-alanine-glycine-cystéine-… 16 options 20 options

Pourquoi pas? Hypothèse #3: Chaque triplet de nucléotides correspond à 1 acide aminé. A-T-C-G-C-G-A-T-T-T-… Valine-alanine-glycine-cystéine-…

Pourquoi pas? Hypothèse #3: Chaque triplet de nucléotides correspond à 1 acide aminé. A-T-C-G-C-G-A-T-T-T-… Valine-alanine-glycine-cystéine-… 64 options 20 options

Le code génétique * Ensemble de règles qui déterminent la façon dont la séquence de nucléotides est convertie en séquence d’acides aminés. Hypothèse des triplets: Proposition selon laquelle l’ADN est lu trois bases à la fois. 1 triplet de bases = 1 codon

Le code génétique Voir tableau p.248. Quelles protéines sont codées par les codons suivants? UAU GUA ACA

3 caractéristiques du code génétique * Redondant: Plus qu’un codon peut coder le même acide aminé (ex. GUU et GUC = valine) Continu: La séquence de nucléotides se lit sans espace et sans chevauchement. Un décalage peut entrer la production d’un protéine complètement différente. Universel: Même codon = même acide aminé pour *presque* tous les êtres vivants. Ex. GUU = valine pour mouches et humains

L’expression génétique * Le dogme central de la génétique: 2 étapes: Transcription: Synthèse d’ARN à partir de l’ADN. Traduction: Synthèse d’acides aminés à partir de l’ARN. Animation: http://www.edumedia- sciences.com/fr/media/35-synthese-des-proteines

Votre travail P.250 #11 à 15

6.2: La transcription: la synthèse de l’ARN à partir de l’ADN

Comparaison entre l’ADN et l’ARN * Caractéristiques ADN ARN Bases azotées Sucre Structure des brins

Comparaison entre l’ADN et l’ARN * Caractéristiques ADN ARN Bases azotées A, T, C, G A, U, C, G Sucre Désoxyribose Ribose Structure des brins Double Simple

Types d’ARN * Il existe différents types d’ARN. ARN Fonction ARN messager (ARNm) Matrice de la traduction. ARN de transfert (ARNt) Participe à la traduction de l’ARNm. Petit ARN nucléaire (ARNpn) Participe à la modification des molécules d’ARNm.

Les événements moléculaires de la transcription * 3 phases Initiation Élongation Terminaison

Initiation * Pour chaque gène, 1 seul brin est transcrit en ARNm. Plusieurs noms possibles: Brin anti-sens Brin complémentaire Brin non-codant Noms possibles pour l’autre brin: Brin sens Brin codant

Initiation (suite) * L’ARNm a est produit à partir du brin non-codant mais a la même séquence que le brin codant (sauf U/T).

Initiation (suite) * Les enzymes qui catalysent la transcription forment un complexe nommé ARN polymérase. Se lie à un promoteur. Déroule l’ADN. Ouvre une section de la double hélice.

Élongation * Étapes: Notes Complexe ARN polymérase progresse sur l’ADN non-codant. Synthétise un brin d’ARNm avec des bases complémentaires. Notes Direction 5’ → 3’ Aucun fragment d’Okazaki

Élongation (suite) * Aussitôt qu’un ARN polymérase progresse, un autre peut s’attacher au promoteur et commencer un nouveau ARNm. Des centaines de copies fabriquées en même temps. Beaucoup plus rapide que réplication de l’ADN, car aucun système de correction des erreurs. Pourquoi? Moins grave (erreur dans 1 protéine au lieu d’erreur dans tout le matériel génétique d’une cellule et ses descendants) Moins important que l’avantage donné par la vitesse.

Terminaison * Signal d’arrêt Complexe ARN synthase se détache ARNm est libéré Double hélice d’ADN se reforme

Votre travail P.254 #7 à 12

Les modifications de l’ARNm chez les eucaryotes * Chez les procaryotes: aucune modification nécessaire (ARN déjà prêt pour la traduction). Chez les eucaryotes: modifications nécessaires Ajout d’une coiffe 5’ Ajout d’une séquence poly-A 3’ Suppression des introns

Ajout d’une coiffe 5’ * La coiffe est reconnue par l’appareil de synthèse des protéines (traduction). Coiffe = forme modifiée d’un G.

Ajout d’une séquence poly-A 3’ * Rend l’ARN plus stable (donc d’exister plus longtemps dans le cytoplasme).

Suppression des introns * Pré-ARNm contient des introns et exons. Introns = sites non codants (non nécessaires) Exons = sites codants (nécessaires) Épissage = retirer les introns et rattacher les exons.

Épissage alternatif * Permet à un gène de coder plusieurs protéines.

Vidéo récapitulative de la transcription https://www.youtube.com/watch?v=wu4Ksonj90g

6.3: La traduction: la synthèse des protéines à partir de l’ARNm Animation: https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/694-traduction

Les principales composantes de l’appareil de traduction * Fonction ARNm Détermine la séquence des Aas. ARNt Se jumelle à un codon et un AA Ribosomes Participent à la synthèse des protéines Facteurs de traduction Nécessaires à chaque étape de la traduction.

L’ARN de transfert (ARNt) * Brin simple d’ARN Replié en forme de trèfle, ensuite en forme de botte 3 tiges-boucles 1 brin simple 2 régions fonctionnelles Boucle anticodon Bras accepteur

ARNt (suite) * Ligase aminoacyl-ARNt: enzyme responsable de l’attachement d’un acide aminé à l’ARNt correspondant (en fonction de l’anticodon). Il existe 20 types de ligase aminoacyl-ARNt.

Ribosomes * Sont composés de: Contiennent: Protéines ARN ribosomique (ARNr) Contiennent: 1 site de liaison pour ARNm 3 sites de liaison pour ARNt Polyribosome: lorsque plusieurs ribosomes sur le même ARNm.

Les événements moléculaires de la traduction * 3 phases Initiation Élongation Terminaison

Initiation * Petite sous-unité se lie à l’ARNm près du codon initiateur. ARNt initiateur avec anticodon UAC se lie au codon initiateur AUG. AA: méthionine. Grande sous-unité se joint pour compléter le ribosome.

Élongation * 4 étapes: ARNt s’attache au site A. Chaîne de polypeptides est transférée P → A. Chaîne de polypeptides a un AA de plus. Liaison peptidique ARNm avance d’un codon. ARNt à E se détache.

Élongation (suite) *

Terminaison * Le codon d’arrêt (sur l’ARNm) est atteint. Polypeptide et composantes du mécanisme se détachent. « Facteur de libération » sépare polypeptide du dernier ARNt.

Vidéo récapitulative de la traduction https://www.youtube.com/watch?v=5REsGZQGEZ4

Votre tâche P.260 #13 à 18

Qu’est-ce qu’une mutation? * Déf: Modification de la séquence des nucléotides de l’ADN d’une cellule.

Pourquoi: * La substitution d’un nucléotide est moins dangereuse que l’insertion ou la délétion? Car la substitution ne change pas le cadre de lecture.

Les causes des mutations * Mutations spontanées Combinaison incorrecte des bases Transposons Mutations induites Mutagènes physiques Mutagènes chimiques Source extérieure Court fragment d’ADN qui peut se déplacer au sein du génome. Aussi nommé gène sauteur.

Qu’est-ce qu’un transposon?

Les causes des mutations Mutagènes physiques Mutagènes chimiques Description Change l’apparence physique de l’ADN Réagit chimiquement avec l’ADN (ex. changer des bases) Exemples Où placer les éléments suivants? Composantes de la fumée de cigarette Nitrites (charcuteries) Rayons X Rayons UV (soleil) Vapeurs d’essence

Les causes des mutations * Mutagènes physiques Mutagènes chimiques Description Change l’apparence physique de l’ADN Réagit chimiquement avec l’ADN (ex. changer des bases) Exemples Rayons X Rayons UV Composantes de la fumée de cigarette Nitrites Vapeurs d’essence

La réparation de l’ADN * Photoréparation: Mécanisme spécifique: seulement si dimères de thymine Réparation par excision Mécanisme non spécifique: peut corriger différents types de dommages Images: voir manuel p.265 Figure 6.21

Votre travail P.266 #1 à 11 sauf 8-9

6.4: La régulation de l’expression génétique

Pourquoi la régulation de l’expression génétique est-elle nécessaire? Pourquoi la cellule ne produit-elle pas toujours tous les 25 000 protéines qu’elle peut produire?

Pourquoi la régulation de l’expression génétique est-elle nécessaire? Pourquoi la cellule ne produit-elle pas toujours tous les 25 000+ protéines qu’elle peut produire? Économie d’énergie

Régulation des gènes * Déf: La régulation et la modification de l’expression génétique en réponse aux conditions variables régnant dans la cellule ou son milieu. Détermine si: Actif ou non Niveau d’activité (produit beaucoup ou peu de protéines) Gène constitutif (domestique) = est toujours exprimé. Pas régulé.

Régulation Régulation Chez les procaryotes Opéron lac Opéron trp Chez les eucaryotes

L’opéron lac * E. Coli (bactérie) peut tirer de l’énergie de différents sucres. Ex. sucrose, fructose, lactose, galactose Pour digérer lactose, doit avoir du lactase et d’autres enzymes. Ces enzymes sont produites par des gènes dans la même section de l’ADN: opéron. Région régulatrice Région codante

L’opéron lac (suite) Si lactose absent: Répresseur est actif Se fixe à l’opérateur Bloque la transcription

L’opéron lac (suite) Si lactose présent: Répresseur se lie au lactose Répresseur inactif Transcription peut se dérouler

Vidéo https://www.youtube.com/watch?v=p8lFArg9Gv4

L’opéron trp Normalement synthétisé. Si trop de trp: répression.

Votre travail P.269 #25 à 30