THEME 1A: Expression, stabilité, variation du patrimoine génétique Dans ce thème nous nous intéresserons aux mécanismes cellulaires, chromosomiques et moléculaires qui conduisent : A l’expression des gènes A la stabilité génétique A la variation génétique

Introduction et rappels importants:

L’identité génétique des êtres vivants est portée dans les cellules par les chromosomes Les cellules reproductrices ou germinales sont: La fécondation La croissance et le renouvellement cellulaire d’un organisme Le développement embryonnaire et fœtal se Homme: il existe 23 paires de ch. (rangés = caryotype) Toutes les cellules d’un même organisme possèdent le même programme génétique Les ovocytes (ovules) pour les femelles => caryotype ovocyte (n = …. chro.) Les spermatozoïdes pour les mâles => caryotype d’un spermatozoïde (n=…. chro.) Rencontre des gamètes. Elle reconstitue la formule chromosomique de l’espèce : n + n = 2n se réalisent par mitoses et différentiation (sauf quelques exceptions). C’est le programme génétique qui commande ces mécanismes + influence du milieu …par divisions cellulaires (mitoses) et différentiations cellulaires. Sauf mutations, l’information génétique se conserve de cellules à cellules lors de la mitose

Rappels documentaires:

Génotype Phénotype Une expérience Le métabolisme ADN Gène Allèle Mutation Protéine

CHAP I. La reproduction conforme (des cellules) et la réplication de l’ADN I.1 La reproduction conforme de la cellule au cours d’un cycle cellulaire

1) Eléments de correction de votre tableau ACT1 G2 : les chromosomes sont à 2 chromatides (2 ADN identiques) S : une seconde chromatide en formation G1: les chromosomes sont à 1 chromatide (1 ADN) décondensée Mitose: séparation des chromatides de chaque chromosome +

2) Evénements à l’échelle cellulaire (avec lames montées ou préparations) et à l’échelle moléculaire de l’ADN et des autres molécules (avec documentation) Doc 3a p.15: volume et masse de la cellule augmentent (doublement) Doc 3b p.15: en G1: augmentation des lipides et protides (X2) -> synthèses importantes Doc 3c p.15: augmentation en masse et en quantité des mitochondries (organite cell. énergétique) =->les synthèses de matière nécessites beaucoup d’énergie cellulaire

Commentaires: le cycle cellulaire d’une cellule se déroule en 2 étapes: > Une interphase (assez longue) durant laquelle la cellule est active et se prépare à la division cellulaire. > Une mitose avec la formation de 2 cellules filles génétiquement identiques. Chaque cellule fille entame un nouveau cycle cellulaire

Animation mitose:

… pour vous aider dans vos commentaires ACT 2: Vos images de mitose à classer et à commenter pour réaliser votre animation Numérique avec Mesurim OU papier (Flip Book) Paroi cellulaire Cytoplasme Centrosome Fuseau de microtubules Chromosome Equateur cellulaire Pôle cellulaire … pour vous aider dans vos commentaires

Une fois classer… 1- colorier avec votre logiciel de dessin (paint, photofiltre…) vos chromosomes + Commentaires sur chaque image 2- Enregistrer sous un nouveau nom chaque image travaillée 3- Réaliser votre animation (avec Mesurim + fiche d’aide)

Le cycle cellulaire d’une cellule est de durée variable, il se Commentaires ACT2: La mitose est la division cellulaire permettant à la cellule mère de former 2 cellules filles génétiquement identiques par séparation des chromatides des chromosomes. Il existe 4 étapes distinctes: prophase, métaphase, anaphase et télophase. Bilan général Le cycle cellulaire d’une cellule est de durée variable, il se décompose en une interphase et une mitose. En général la division cellulaire est une reproduction conforme de la cellule qui conserve toutes les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes). Ainsi les événements cellulaires et chromosomiques permettent à l’ensemble du patrimoine génétique (gènes et chromosomes) se transmettre de cellule à cellule (NB : Les chromosomes sont des structures constantes des cellules eucaryotes qui sont dans des états de condensation et de duplication variables au cours du cycle cellulaire. Chaque chromatide contient une molécule d’ADN)

Documentation de synthèse: Pour vous entrainer: EX 1 p.29 EX 2 p.29 EX 4 p.29 Exercices sur site SVT du lycée

PARTIE A

Compléter votre fichier numérique (attention 5 fichiers différents… )

I.2) Le mode de réplication de l’ADN (au cours de la phase S du cycle cellulaire) PARTIE B. ACT 2-2 Q1 p.18

après la deuxième réplication, il y a de l’ADN hybride et de l’« ADN 14N » => modèle dispersif invalidé Q2 p.18 + Après la 1ère division (donc première réplication de l’ADN), il n’y a que de l’ADN hybride (contenant 14N et 15N) => modèle conservatif invalidé L’expérience de Meselson et Stahl démontre donc que la réplication de l’ADN se fait selon un modèle semi-conservatif.

Si vous avez un doute… voici les résultats attendus pour les 3 hypothèses…

Enzyme polymérase Ouverture + positionnement des nucléotides http://espace-svt.ac-rennes.fr/cartelec/cartelec_lyc/premiere_s/vegetal/adn/adn_anim.gif Commentaires: À partir d'une molécule d'ADN, de nucléotides isolés dans le noyau et d’une enzyme polymérase, on obtient deux molécules d'ADN normalement identiques. Chacune des deux nouvelles molécules obtenues est formée d'un brin de la molécule d'origine et d'un nouveau brin assemblé: on parle d’un mode de reproduction semi-conservatif de l’ADN C'est un mécanisme très précis : il fait en moyenne une erreur (mutation) toutes les 10 exp.9 paires de bases et il existe des mécanismes de réparation.

Remarques: (doc 3 p.19): la réplication de l’ADN s’opère à plusieurs endroits à la fois (œil de réplication) et sous l’action d’une enzyme: l’ADN polymérase.

CHAP II. L’expression du patrimoine génétique II.1 Une relation gène protéine A- Mise en évidence de cette relation avec la transgénèse Q1 p.36 (doc 1) Q2 p.36 (doc 2) Q3 et Q4 p.36 (doc 3 ou fichiers RASTOP « gfp» et « bfp ») Utiliser la fiche technique RASTOP (p.394) et ANAGENE RASTOP/ouvrir/  GFP et BFP/ Ruban/squelette carboné/ Sélectionner les aa 65 à 67 (cf livre): abc 65-67 ok Atome colorer par/ forme ANAGENE/ ouvrir/ « sequencesAdncodanteetproteinegfpetbfp » Q5 p.36

Q3 et Q4 p.36 avec logiciels « RASTOP » et ANAGENE Q3:Les propriétés biologiques (fonctions) d’une protéine tiennent à la séquence spécifique s’acides aminés de cette protéine (changement de séquence => changement de propriétés) Q4: faire un tableau de comparaison Commentaires: une modification de la séquence de nucléotides (mutation) en position 195 entraine une modification de la séquence d’aa en position 64 (Tyrosine substituée par une Histidine pour GFP)

spécifique de nucléotides de l’ADN (gène ou allèle) et à l’origine Le message génétique porté par une séquence spécifique de nucléotides de l’ADN (gène ou allèle) et à l’origine d’une séquence d’aa spécifique (une protéine ou protide) Détails de ce mécanisme? Des remarques pour en savoir plus:  qu'est ce que l'ADN codant et l'ADN non-codant ? : Un gène est une unité d'information sur l'ADN qui permet la synthèse par la cellule d'une protéine spécifique. On dit qu'un gène code une protéine. le génome humain compte 3,1 milliards de nucléotides et environ 20000 gènes. Ces derniers ne correspondent qu'à 34 millions de nucléotides, soit environ 1 % du génome. les 99 % restants constituent l'ADN non codant, dont le rôle biologique est encore très mal connu. Cet ADN comprend notamment des motifs de quelques nucléotides répétés de nombreuses fois et dont le nombre de répétitions varie d'un individu à l'autre: ce sont les microsatellites. Ils sont utilisés dans les tests ADN d'identification criminelle.

B- la biosynthèse des protéines: les mécanismes cellulaires et moléculaires

Hypothèses: Présence de protéines radioactives dans le cytoplasme = Doc 1 p.38 Présence de protéines radioactives dans le cytoplasme = La synthèse des protéines semble s’opérer dans le cytoplasme Le message génétique est porté par les chromosome (ADN) dans le noyau. +> comment la synthèse protéique peut elle se réaliser dans le cytoplasme avec l’information génétique initiale dans le noyau ? Hypothèses: 2) Doc 3 et 4 p.39 NB: La galactosidase est une protéine enzymatique qui permet la « consommation » du lactose (sucre du lait): lactose => glucose + H2O B.galactosidase DOC 3: (a et ip) EXP1. Un ajout de lactose et on observe une augmentation de l’ARNm, une augmentation de la synthèse de la B.galactoS A t=10 min, l’élimination du lactose entraine une baisse de l’ARNm et une stabilisation de la production de B.galactoS En présence de lactose, les bactéries produisent de l’ARNm, puis la protéine, L’ARNm serait un intermédiaire entre l’ADN (?) et la synthèse de la protéine

Structure moléculaire EXP2. Cette exp. confirme que l’ARNm (issu d’une bactérie cultivée dans un Milieu avec lactose) permet la synthèse de la protéine DOC 4 Les observations microscopiques confirment que l’ARNm est produit dans le noyau (à partir de l’ADN) puis sort vers le cytoplasme pour la synthèse de la protéine. Q3) DOC 1 et 2 p.40 et 41 Tableau comparatif des structures et éléments moléculaires de l’ADN et ARNm ADN ARN Structure moléculaire Éléments moléculaires Hypothèse ADN => ARNm ?

Q4) la transcription (doc 3b p.41) est le passage du message de l’ADN (une séquence de nucléotides ACGT) en un message ARNm (séquence de nucléotides ACGU) La transcription se réalise sur plusieurs sites ADN à la fois (DOC 3a p.41)

Q5) DOC 1 p.46 Q1 p.46 (ANAGENE ou doc livre) Tableau comparatif des séquences du gène Alpha globine et de son ARNm mature gène Alpha globine ARNm Alpha globine mature Séquences nucléotidiques Commentaires: L’ARNm mature ne possède qu’une partie de la séquence d’ADN initiale = séquence codante du gène. Les autres parties de l’ADN sont non codantes. Cela signifie qu’une fois l’ARNm produit (ARN pré messager) il subit une simplification: EPISSAGE : élimination des parties non codantes de l’ADN

=> Réaliser votre première partie du schéma de synthèse Q6) DOC 4b p.39 modalités de transfert de l’ARNm du noyau vers le cytoplasme L’ARNm mature transite du noyau au cytoplasme par les pores nucléaires => Réaliser votre première partie du schéma de synthèse Q7) DOC 2 p.43: quel « code génétique » du passage de l’ARNm à la protéine? UUUUUUUUUUUU => Phe-Phe-Phe-Phe AAAAAAAAAAAAA => Lys-Lys-Lys-Lys UCUCUCUCUCUC => Ser-Lys-Ser-Lys 1 codon (3 nucléotides) => code génétique => 1 acide aminé (page de votre couverture de livre) A noter que plusieurs codons codent pour UN même aa: redondance du code génétique

Q8) DOC 3 p.43: les conditions initiales et finales de cette synthèse Q9) DOC 1,2 et 3 p.45: rôle des ribosomes Les ribosomes sont des protéines complexes capables de lire l’ARNm et de Réaliser la synthèse d’une protéine en fonction du message génétique porté NB: Les ribosomes peuvent être libres dans le cytoplasme ou positionnés sur le Réticulum Endoplasmique Granaire (dans ce cas la synthèse de la protéine se fait dans le REG

Puis acquisition de la structure spatiale de la protéine Bilan Dans le noyau des cellules eucaryotes Dans le cytoplasme Sur le REG puis Vésicules de Golgi Puis acquisition de la structure spatiale de la protéine = fonction biologique de la molécule…

Terminer le schéma

II.2 Du génotype au phénotype ou les différents niveaux de définition du phénotype et les conditions de sa mise en place

Drépanocytose à l’échelle des populations et des individus l’échelle cellulaire Cette maladie génétique est causée par une hémoglobine anormale HBS qui polymérise au sein du globule rouge, le déforme, le rend fragile et lui fait perdre sa souplesse, avec les conséquences qui s'en suivent ; hémolyse, infarctus, anémie.....La drépanocytose est la maladie génétique la plus répandue. L'allèle S , responsable de la maladie, est surtout présent en Afrique. Drépanocytose à l’échelle moléculaire du gène et de la protéine C'est une seule et petite mutation substitution du 20ème nucléotide du gène de la bétaglobine qui provoque la mutation d'un acide aminé dans la protéine, le n°6 (après "excision" de la méthionine initiale) : l'acide glutamique glu est remplacé par une valine val, acide aminé hydrophobe. Le val6 de la globine béta (quand elle est sous sa forme désoxygénée) se liera à une chaine de globine alpha d'une autre hémoglobine ( au niveau de  leucine 88 et la phe 85) ce qui provoquera la formation de fibres insolubles et déformantes.

Bilan: L’ensemble des protéines qui se trouvent dans une cellule dépend : 
- du patrimoine génétique de la cellule, mais une mutation peut être à l’origine d’une protéine différente ou de son absence. 
- de la nature des gènes qui s’expriment sous l’influence de facteurs internes et externes. Finalement: le phénotype macroscopique (observable) dépend du phénotype cellulaire, lui-même étant l’expression du phénotype moléculaire (du gène et de la protéine) .

Question 3 On donne la généalogie suivante, sachant Que l’allèle muté est noté « m-» et que L’allèle sauvage normal est noté « m+ » Donner les génotypes et phénotypes des: Individus I.1 et I.2 Individus IV.1 et IV.2

III.1 Les mutations de l’ADN CHAP III. L’origine de la variabilité génétique : les mutation de l’ADN III.1 Les mutations de l’ADN Q1 p.84: apparition des mutations ? Q2 p.86: devenir des mutations ? Q1 p.88: réparation et transmission des mutations ?

III.2: les mutations sont source de biodiversité chez les êtres vivants Doc 3 p.91 Certaines mutations peuvent toucher des gènes « architectes » ou homéotiques (responsables du plan d’organisation de l’être vivant ») Et parfois donner de nouveaux plans d’organisation : de nouvelles espèces Les mutations sont source aléatoire de la biodiversité au sein d’une espèce

Expression, stabilité et variation du patrimoine génétique L’expression d’un gène est une protéine. Le message génétique (séquence de nucléotides) est transcrit (en ARNm + maturation) puis traduit en un message peptidique (séquence aa) grâce au code génétique Lors de la réplication de l’ADN des erreurs (mutations) se produisent (rare). Mutations spontanées ou action d’agents mutagènes. Mais il existe des mécanismes de réparation de l’ADN. Les mutations sont donc source d’une variabilité (nouvel allèle) favorable ou non et donc de biodiversité au sein des espèces Le réplication semi conservative de l’ADN en phase S d’interphase permet le maintien(stabilité) du génome d’une cellule à l’autre (lors de la mitose) Apparition (ou non) d’un nouveau phénotype viable ou non… = BIODIVERSITE