Nature de l’information génétique
I. Localisation de l'information génétique
L'information génétique qui détermine les caractères héréditaires est localisée dans le noyau chez les organismes unicellulaires et les organismes pluricellulaires.
II. Transmission de l'information génétique d'une cellule à une autre.
1. Ultrastructure du noyau pendant le cycle cellulaire :
La transformation de la chromatine en chromosomes signifie l'entrée de la cellule en mitose.
L'aspect du noyau au cours de la mitose :
- Noyau au « repos » : l'ADN est déroulé
- L'ADN commence à se compacter
- Les chromosomes sont visibles
- Les chromosomes s'alignent au milieu de la cellule
- Les chromosomes se divisent en 2 groupes et se séparent
- Deux cellules filles se forment identiques à la première
| Le noyau interphasique | Le noyau prophasique |
|---|---|
| En dehors de la division cellulaire (pendant l'interphase), la chromatine se présente sous forme de filaments très fins appelés nucléofilaments, uniquement visibles en microscopie électronique à très fort grossissement. | Lors des divisions cellulaires, le noyau présente des structures filamenteuses appelées chromosomes. Le chromosome est de la chromatine soigneusement enroulée. Chaque chromosome visible est constitué de deux chromatides unies entre-elles au niveau du centromère. |
2. Les étapes de la mitose :
La mitose : Phénomène biologique permettant la division d'une cellule mère en deux cellules filles identiques et ressemblant à la cellule mère. Elle correspond à une reproduction conforme car elle conserve toutes les caractéristiques de la cellule mère.
La mitose est un phénomène continu qui se déroule en 4 étapes :
- Prophase : Apparition des chromosomes par condensation des fibres de chromatine ; Chaque chromosome se compose de deux chromatides ; la disparition de l'enveloppe nucléaire et début de formation du fuseau mitotique.
- Métaphase : Alignement des chromosomes sur la plaque équatoriale formant ainsi la plaque métaphasique.
- Anaphase : Clivage des centromères et séparation des chromatides de chaque chromosome et leur migration vers les pôles cellulaires.
- Télophase : Les chromosomes perdent leur condensation et redeviennent des fibres de chromatine ; la réapparition de l'enveloppe nucléaire et disparition du fuseau de division ; la cellule mère se divise en deux cellules filles identiques.
3. Notion de cycle cellulaire :
L'aspect des chromosomes au cours d'un cycle cellulaire :
- \(G_1\) = Première phase de croissance
- \(S\) = La phase de synthèse
- \(G_2\) = Deuxième phase de croissance
- \(P\) = La prophase
- \(M\) = La métaphase
- \(A\) = L'anaphase
- \(T\) = La télophase
On appelle cycle cellulaire les différentes étapes par lesquelles passe la cellule, du début d'une interphase au début de l'interphase suivante. (Autrement dit cycle cellulaire = interphase + mitose).
III. La nature chimique du matériel héréditaire
L'ADN constitue le support de l'information génétique. Cette molécule est le constituant fondamental des chromosomes. La nature chimique du matériel héréditaire est l'ADN chez la majorité des êtres vivants sauf les rétrovirus qui ont de l'ARN.
La molécule d'ADN (Acide désoxyribonucléique) est un polymère de nucléotides, chaque nucléotide est constitué par l'association de 3 molécules :
- un pentose, le désoxyribose \(C_5H_{10}O_4\)
- un acide phosphorique \(H_3PO_4\)
- une base azotée, qui peut être soit l'adénine (A), la thymine (T), la guanine (G), ou bien la cytosine (C).
Un nucléoside est l'union d'une base purique (adénine, guanine) ou pyrimidique (cytosine, thymine ou uracile) et d'un pentose (ribose ou désoxyribose).
IV. La structure de la molécule d'ADN (Modèle de Watson et Crick)
L'ADN, selon le modèle de Watson & Crick (Modèle de la double hélice), est constitué de deux brins enroulés en spirale. (L'ADN est bicaténaire = 2 chaînes = 2 séquences de nucléotides).
Les deux brins s'associent au niveau des bases azotées de façon complémentaire grâce aux liaisons hydrogènes : 2 liaisons entre \(A=T\) et 3 liaisons entre \(C \equiv G\).
Les atomes de carbone du désoxyribose sont par convention notés \(C_1', C_2', \dots, C_5'\). Or, sur chaque brin d'ADN, il y a une extrémité libre : \(C_5'\), alors qu'à l'autre extrémité, c'est le \(C_3'\) qui est libre. Ainsi le brin a une polarité suivant la direction \(5' \rightarrow 3'\). D'autre part les deux brins qui s'assemblent sont de polarités opposées, les deux brins sont antiparallèles, l'un des brins est orienté droit \(5' \rightarrow 3'\) l'autre est inversé.
V. Relation entre chromatine, chromosome et ADN.
Au cours de l'interphase le nucléofilament apparait comme un collier constitué de l'enroulement d'une molécule d'ADN autour des histones pour former des nucléosomes.
Pendant la prophase, la spiralisation des nucléofilaments, puis leur enroulement autour d'un squelette protéique forme les chromosomes qui apparaissent formés de deux chromatides.
Donc la chromatine et les chromosomes constituent le même élément dont la structure varie selon les phases du cycle cellulaire. Ils sont constitués d'une molécule d'ADN associée à de nombreuses protéines.
VI. Mécanisme de duplication de l'ADN.
1. La duplication de l'ADN :
On effectue le dosage de la quantité d'ADN contenue dans le noyau d'une cellule, au cours d'un cycle cellulaire.
\(G_1\) et \(G_2\) (Growth) = première et deuxième phase de croissance ; \(S\) (Synthesis) = Phase de synthèse ; \(M\) = Mitose ; \(I\) = Interphase ; \(C\) = cycle cellulaire.
La réplication de l'ADN : phénomène biologique permettant la formation de deux molécules d'ADN à partir d'une seule molécule d'ADN.
2. Mécanisme de réplication de l'ADN (réplication semi-conservative) :
Fig ① : L'observation au microscope électronique d'un chromosome pendant la phase \(S\) de l'interphase, montre que la double hélice de l'ADN se sépare en différents points du chromosome, en deux brins, formant des "yeux de réplication".
Fig ② : Schéma d'interprétation de la réplication d'ADN. Cette réplication se fait selon le mode semi-conservatif, selon lequel chaque brin de la molécule "mère" sert de matrice pour la synthèse d'un brin complémentaire.
Fig ③ : Chaque brin sert de modèle pour la synthèse d'un nouveau brin complémentaire. Chaque œil de réplication comporte deux fourches de réplication, figures en Y. Ces fourches progressent en sens inverses (réplication bidirectionnelle).
Fig ④ : Un ensemble de protéines enzymatiques consommatrices d'énergie réalise la réplication de l'ADN :
- Les protéines de reconnaissance : reconnaissent les sites d'initiation et de terminaison.
- L'hélicase : déroule la double hélice par rupture des liaisons hydrogènes présentes entre les deux brins de l'ADN.
- L'ADN topoisomérase : enzyme qui supprime les contraintes de torsion de l'ADN au cours des processus de réplication et de la transcription.
- L'ADN polymérase : associe en face d'un nucléotide du brin parent, un nouveau nucléotide complémentaire formant le brin fils. Cet enzyme ne fonctionne que dans le sens \(5' \rightarrow 3'\) (Sens du nouveau brin).
- Les protéines SSB (pour Single Stranded binding Protein) ont une forte affinité pour l'ADN simple brin et l'empêchent ainsi de se réenrouler lors de la migration des fourches réplicatives.
- La primase est une ARN polymérase qui permet la synthèse de courts segments d'ARN qui sont ensuite utilisés comme amorces par l'ADN polymérase réplicative.
- Les ADN ligases catalysent la formation de la liaison phosphodiester.
★ Les origines de réplication :
La réplication d'une molécule d'ADN se fait dans le sens \(5' \rightarrow 3'\) et commence sur des sites particuliers, appelés origines de réplication, il s'agit de courts segments d'ADN ayant une séquence nucléotidique spécifique.
Un chromosome d'Eucaryote linéaire, possède des centaines ou des milliers d'origines de réplication. Chez les procaryotes comme la bactérie, le chromosome circulaire possède une seule origine de réplication.
La synthèse d'ADN doit respecter certaines propriétés : les deux fourches réplicatives doivent migrer dans des sens opposés, la synthèse de l'ADN se fait dans la direction \(5'\) vers \(3'\) et ainsi le brin matriciel est lu de \(3'\) vers \(5'\), les deux brins de l'ADN sont antiparallèles et synthétisés simultanément.
La réplication est asymétrique. L'un des deux brins est synthétisé de façon continue (brin précoce ou avancé), tandis que l'autre est synthétisé sous forme de fragments connus sous le nom de fragments d'Okazaki (brin tardif ou retardé).
Remarque : Quelques structures caractérisant le matériel génétique
★ Figure 1 : Les Kinétochores : En fin de prophase, des structures spécialisées, appelées kinétochores (Figure 1), formes de complexes protéiques, se développent et s'attachent dans la région du centromère. Il y a un kinétochore pour chaque chromatide. Ils vont jouer un rôle primordial au moment de la séparation des chromatides. Les microtubules kinétochoriens insérés dans le kinétochore se développent progressivement et, dans la prophase tardive, ils vont progressivement s'attacher aux microtubules du fuseau.
★ Figure 2 : Les télomères : Les télomères sont des régions hautement répétitives de l'ADN, situées à l'extrémité de chaque chromosome (figure 2). Ces séquences d'ADN répétitives ne contiennent pas de gènes : elles sont là pour préserver l'intégrité de notre patrimoine génétique.
Mais à chaque fois qu'une cellule recopie son ADN avant de se diviser, elle perd un petit bout de télomère, tant et si bien que ces protections finissent par s'user. La cellule arrête alors de se diviser et de fonctionner normalement. Les chercheurs parlent de cellules "sénescientes", dont l'accumulation contribue au vieillissement de l'organisme.