THEME 1 – A EXPRESSION, STABILITE ET VARIATION DU PATRIMOINE GENETIQUE

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1 THEME 1 – A EXPRESSION, STABILITE ET VARIATION DU PATRIMOINE GENETIQUE
Le patrimoine génétique joue un rôle important dans le fonctionnement cellulaire. Comment s’exprime-t-il au sein de la cellule ?

2 Chapitre 3 expression du patrimoine genetique
L’information génétique est contenue et conservée dans le noyau et commande des caractères qui sont observables extérieurement (groupe sanguin, couleur des yeux, etc).

3 On recherche comment s'exprime l'information génétique.

4 I / la relation gene-proteine
Expérience de Beadle et Tatum (1941)

5 Ils ont exposé à des rayons UV mutagènes, une souche de Neurospora capable de se développer sur un milieu minimum.

6 Un milieu minimum est un milieu comportant les éléments chimiques strictement nécessaires à la croissance d'un organisme.

7 Composition d'un milieu minimum : une source de carbone et d'énergie, généralement le glucose, du potassium et du phosphore, de l'azote et du soufre, du magnésium, du calcium, du fer, des oligo- éléments et de l’eau.

8 Qu’observe-t-on après l’exposition de la souche sauvage aux rayons UV mutagènes ?

9 La souche sauvage est devenue incapable de se développer sur un milieu minimum.

10 L’arginine est un acide aminé que la souche sauvage sait synthétiser.

11 La synthèse de l’arginine s’effectue à partir d’un précurseur,
(le N-acetylglutamate). Trois protéines enzymatiques interviennent successivement dans cette synthèse.

12 Interpréter ces résultats.

13 La souche A, incapable de se développer sur un milieu minimum, se développe sur un milieu contenant de l’ornithine. Donc …… Donc la souche A possède une enzyme A non fonctionnelle et les enzymes B et C fonctionnelles.

14 Pour les souches B et C ce sont respectivement les enzymes B et C, au moins, qui sont non fonctionnelles.

15 La mutation a modifié un gène et cela se traduit par la modification d’une enzyme.

16 Cette expérience a montré le lien direct gène-enzyme, qui a ensuite été élargi au lien gène-protéine (car les enzymes sont des protéines).

17 Un gène est une unité d'information, contenue dans l'ADN et qui permet la synthèse d'une protéine par une cellule.

18 Qu’est-ce qu’une protéine ?

19 Ii / les proteines

20 Vingt acides aminés sont impliqués dans les protéines.
Une protéine, c'est un polymère d'acides aminés reliés entre eux par des liaisons fortes. La plupart des protéines sont formées de l'union de 100 à 200 acides aminés. Vingt acides aminés sont impliqués dans les protéines.

21 Fonction amine Fonction acide
Groupement CH Les acides aminés possèdent un motif commun et diffèrent par leur radical

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23 Les acides aminés sont liés par la liaison peptidique.

24 La taille des protéines peut devenir très grande.
Cette liaison laisse libre une fonction acide et une fonction amine, ce qui permet la formation de nouvelles liaisons peptidiques avec d’autres acides aminés. La taille des protéines peut devenir très grande.

25 Visualisation de molécules avec le logiciel Rastop.

26 La taille des protéines permet des repliements successifs qui lui confère une structure tridimensionnelle déterminée grâce à des liaisons entre acides aminés. Cette structure tridimensionnelle est stabilisée grâce à différentes liaisons entre acides aminés.

27 Il existe plusieurs types de liaisons : ionique, hydrogène, effet hydrophobe et pont disulfure.

28 Comment l’information contenue sous la forme d’un polymère de nucléotides s’exprime sous la forme d’un polymère d’acides aminés ?

29 Iii / localisation de la synthese des proteines

30 Dans quel compartiment cellulaire sont synthétisées les protéines ?

31 Des cellules animales sont cultivées in vitro dans un milieu approprié contenant un acide aminé radioactif, la leucine.

32 Par cette technique, les protéines sont repérables sous forme de grains noirs en raison de leur capacité à impressionner une émulsion photographique.

33 L’acétabulaire est une algue unicellulaire
L’acétabulaire est une algue unicellulaire. Sa cellule de grande taille facilite les observations.

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35 Pour étudier la synthèse des protéines, on fournit un acide aminé radioactif et on suit son devenir par autoradiographie.

36 Où est localisé l’acide aminé radioactif ?

37 L’acide aminé, précurseur des protéines, est localisé dans le cytoplasme et ne se trouve pas dans le noyau où est localisée l’information génétique. Donc ……

38 La synthèse des protéines ne s’effectue pas dans le noyau mais dans le cytoplasme. Donc …..

39 Il faut un intermédiaire entre l’ADN localisé dans le noyau et la synthèse des protéines effectuée dans le cytoplasme.

40 Quelle doit-être la nature de cet intermédiaire, sachant que l’ADN et les protéines sont des polymères ?

41 L’ADN et les protéines étant des polymères il semble logique de chercher un intermédiaire qui soit lui aussi un polymère et qui soit capable de passer du noyau au cytoplasme.

42 Parmi les nombreuses molécules contenues dans la cellule se trouve l’ARN (Acide RiboNucléique).

43 L’ARN (Acide RiboNucléique) est un polymère de nucléotide comme l’ADN mais il possède quelques différences avec lui.

44 Quelles sont les différences ?

45 C’est une molécule monocaténaire
Il possède une base azotée différente par rapport à l’ADN : adénine, cytosine, guanine et URACILE à la place de la thymine Le sucre est le ribose à la place du désoxyribose

46 L’ARN peut-il passer du noyau au cytoplasme ?

47 Proposer un protocole permettant de répondre à cette question.

48 Une cellule a été cultivée pendant 10 minutes (seulement) en présence d’un précurseur radioactif spécifique de l’ARN, l’uracile tritiée.

49 Puis elle est placée dans un milieu de culture avec des précurseurs de l’ARN non radioactifs pendant 5 minutes. Elle est ensuite tuée et soumise à une autoradiographie.

50 Milieu contenant de l’uracile normale
Milieu contenant de l’uracile tritiée 10 minutes Milieu contenant de l’uracile normale 5 minutes

51 Ce protocole est répété en laissant certaines cellules 10 minutes et d’autres 1 heure et demi avec des précurseurs non radioactifs.

52 a : 5 minutes b : 10 minutes c : 1 heure et demi.

53 Interpréter ce résultat.

54 Après 5 minutes l’ uracile se trouve dans le cytoplasme et dans le noyau de la cellule.

55 Après 10 minutes l’uracile se trouve uniquement dans le noyau.

56 Après une heure et demi l’uracile se trouve uniquement dans le cytoplasme.

57 Conclusion

58 L’uracile contenue dans le milieu de culture est passée dans le cytoplasme puis le noyau et est retournée dans le cytoplasme.

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60 L’ARN semble être synthétisé dans le noyau puis passe dans le cytoplasme.

61 Enveloppe nucléaire (Cliché obtenue par cryofracture et observation au MEB)

62 L’ARN emprunte les pores de l’enveloppe nucléaire pour passer dans le cytoplasme.

63 Comment l’information génétique est transférée de l’ADN à l’ARN ?

64 Iv / la synthese de l’arn
Le transfert de l’information génétique de l’ADN à l’ARN est appelée la transcription.

65 Observation de figures particulières dans le noyau.

66 400 nm

67 Arbre de Miller

68 Proposer une interprétation de ce document.

69 ADN ARN

70 Schéma d’interprétation
Sens de la transcription Schéma d’interprétation

71 Détails du mécanisme de la transcription

72 ARNpré-messager ARNpré-messager

73 La transcription de l’ADN en ARN est réalisée grâce à un complexe enzymatique l’ARNpolymérase.

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75 Ce complexe enzymatique écarte localement les deux brins de la molécule d’ADN.

76 Puis l’ARNpolymérase progresse le long du gène à transcrire en effectuant la synthèse de l’ARNpré-messager à partir du brin transcrit en respectant la règle de complémentarité des bases.

77 Remarque 1 : le même gène est transcrit de nombreuses fois
Remarque 1 : le même gène est transcrit de nombreuses fois. Il y a amplification de l’information génétique.

78 Remarque 2 : il n’y a qu’un seul brin qui est transcrit.

79 V / LE DEVENIR DE L’ARN Que devient l’ARN après sa synthèse dans le noyau ?

80 Le brin transcrit de l’ADN est hybridé avec le brin d’ARN sur lequel a été transférée l’information génétique.

81 La complémentarité des bases permet à l’ARN de s’hybrider avec le brin d’ADN qui a servi de matrice (brin transcrit).

82 Voici le résultat de l’hybridation

83 Interprétation : ADN en rouge et ARN en bleu

84 Qu’en déduisez-vous ?

85 Le brin d’ARN est plus court que le brin d’ADN qui a servi de matrice
Le brin d’ARN est plus court que le brin d’ADN qui a servi de matrice. Donc ……

86 Des parties du brin d’ARN ont été éliminées

87 Il y a eu épissage de l’ARN pré- messager pour donner l’ARN messager
Le premier brin d’ARN a subi une maturation, certaines parties ont été conservées (les exons) et d’autres ont été éliminées (les introns). Il y a eu épissage de l’ARN pré- messager pour donner l’ARN messager

88 GENE ARN pré-messager EPISSAGE ARN messager Epissage de l’ARN

89 Après l’épissage réalisé dans le noyau l’ARN messager est exporté dans le cytoplasme.

90 Après la transcription, l’épissage de l’ARN et son exportation vers le cytoplasme, la synthèse des protéines peut commencer.

91 Vi / la synthese des proteines

92 Problème : il existe 20 acides aminés et seulement 4 nucléotides différents.
Combien faut-il de nucléotides au minimum pour établir une correspondance avec un seul acide aminé ?

93 Correspondance entre un nucléotide et un acide aminé
aa 1 C aa 2 G aa 3 U aa 4 Ce code est insuffisant pour établir une correspondance avec 20 acides aminés.

94 Correspondance entre deux nucléotides et un acide aminé.
AA aa 1 CA aa 5 AC aa 2 CC aa 6 AG aa 3 CG aa 7 AU aa 4 Etc ….. …. Ce codage ne permet la correspondance qu’avec 4² = 16 acides aminés

95 Il faut donc un codage basé sur 3 nucléotides qui forment un codon pour désigner 1 acide aminé.
Cela donne 43 = 64 possibilités, c’est beaucoup plus qu’il n’en faut.

96 Comment découvrir ce code ?

97 C’est le travail de Nirenberg et Matthaei en 1961.

98 Dans un milieu contenant les 20 acides aminés ainsi que divers constituants cytoplasmiques, ils ajoutent un ARN de synthèse constitué, par exemple, d'une succession de nucléotides à uracile (poly U).

99 Ils recueillent alors dans le milieu une protéine uniquement constituée de phénylalanine.

100 Ils avaient découvert le premier élément du code génétique. UUU  phénylalanine

101 Avec un ARN poly A ou poly C, ils obtiennent respectivement une polypeptide uniquement constitué de lysine, ou de proline.

102 En 1966, en testant les 64 combinaisons de trois nucléotides de l’ARN ou codons, Khorana et son équipe, ont obtenu le décryptage complet du code génétique.

103 A quel acide aminé correspond le codon CAU ?

104 Quatre codons ont un rôle particulier :
Le codon AUG code pour la méthionine mais est également le codon qui indique le début de l’information génétique. Les codons UAA, UAG et UGA ne correspondent à aucun acide aminé, ils marquent la fin de l’information génétique. Ce sont des codons STOP.

105 Le code génétique est universel (ou presque) les mêmes codons codent toujours pour les mêmes acides aminés.

106  Le code génétique est redondant car plusieurs codons désignent le même acide aminé.

107 Comment les protéines (ou polypeptides) sont synthétisées ?

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109 La synthèse des polypeptides s’effectue dans le cytoplasme au niveau des ribosomes.

110 Les acides aminés sont amenés au niveau des ribosomes par les ARNt (ARN de transfert).

111 C L’anticodon de l’ARNt s’associe en respectant la complémentarité des bases au codon de l’ARNm.

112 La synthèse de la chaîne d’acides aminés débute au niveau du codon AUG (codon initiateur) qui code pour la méthionine.

113 C’est l’initiation. Les acides aminés sont amenés au niveau des ribosomes par les ARNt (ARN de transfert).

114 Lorsque les deux premiers acides aminés sont liés, le ribosome se déplace.

115 La synthèse se poursuit, c’est l’élongation.

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117 C’est la terminaison, dernière étape de la traduction.
Lorsque le ribosome arrive sur un codon STOP le polypeptide est libéré. C’est la terminaison, dernière étape de la traduction.

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120 La Traduction Polypeptide GCC AUG CCU CGA CUG AAG UCA UAA AAA ARNm
Acides Aminés La Traduction Arg Pro Met Lys Leu Ser Met Pro Arg Leu Lys Ser Polypeptide Met Met Met Pro Met Pro Arg Leu Lys Ser Met Pro Arg Leu Lys Ser Met Pro Arg Leu Lys Met Pro Arg Leu Met Pro Arg Leu Lys Met Pro Arg Leu Met Pro Arg Met Pro Arg Met Pro GCC AUG CCU CGA CUG AAG UCA UAA AAA ARNm Sens de lecture