Nature de l’information génétique
Notion d’information génétique
Introduction
Au début du développement d’un individu, une seule cellule appelée cellule-œuf est formée après la fécondation. Cette cellule possède toutes les informations nécessaires pour former un organisme complet. Au cours des divisions cellulaires, cette information est transmise à toutes les cellules.
Problématiques :
- Où se situe l’information génétique dans la cellule ?
- Quelle est sa nature chimique ?
- Comment est-elle conservée et transmise ?
I. Localisation de l’information génétique
1. Mise en évidence
a. Chez un organisme unicellulaire
L'acétabulaire est une algue verte unicellulaire marine fréquente sur les bords
de la méditerranée. Sa taille atteint 8cm lorsque sa croissance est achevée.
On distingue un pied dont la base renferme le noyau et un chapeau dont la
forme varie selon les espèces.
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Après section d’une algue, seule la partie contenant le noyau survit et régénère une nouvelle cellule. Les parties sans noyau dégénèrent.
👉 Le noyau est indispensable à la vie cellulaire.
Expérience de greffe croisée de noyaux entre 2 espèces d'acétabulaires différentes
On distingue deux espèces d'acétabulaires qui diffèrent par la forme de leur chapeau.
- Acetabularia mediterranea possède un chapeau à bord régulier (lisse).
- Acetabularia crémulata possède un chapeau à bord crénelé (denté).
Étapes de l'expérience:
- on sectionne les deux espèces (A.m) et (A.c) en deux parties
- on extrait le noyau de chacune de ces deux espèces
- le noyau d'A.m est greffé dans le rhizoïde de l'A.c énucléée et vice versa.
Les résultats obtenus sont présentés par la figure ci-dessous
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La forme du chapeau dépend du noyau présent et non du cytoplasme.
👉 Le noyau contient les informations responsables des caractères.
b. Chez un organisme pluricellulaire
En 1960, le biologiste anglais Gurdon travaille sur des crapauds, les xénopes. Il élève deux variétés, l'une sauvage de couleur vert, l'autre albinos (dépigmentée). Des ovules non fécondés pondus par des femelles de variété sauvage sont irradiés aux ultraviolets, ce qui détruit leur noyau. Par ailleurs, des noyaux de cellules intestinales sont prélevés chez un têtard de la variété albinos. Chacun de ces noyaux est transplanté dans un ovule irradié. Les résultats sont présentés par la figure ci-dessous.
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Le développement d’un individu dépend du noyau transféré.
Bilan : L’information génétique est localisée dans le noyau.
2. Ultrastructure du noyau
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- Structure du noyau (observée au MET) : Délimité par une enveloppe nucléaire percée de pores, contenant de la chromatine et un nucléole baignant dans le nucléoplasme.
- Chromatine en interphase : Pendant les périodes hors division cellulaire, la chromatine se présente sous forme de filaments très fins appelés nucléofilaments, uniquement visibles en microscopie électronique à fort grossissement.
- Chromosomes pendant la division : Lors des divisions cellulaires, la chromatine s'enroule pour former des structures filamenteuses visibles appelées chromosomes.
- Structure d'un chromosome : Chaque chromosome visible est constitué de deux chromatides reliées entre elles au niveau du centromère.
La chromatine se condense en chromosomes lors de la division.
II. Transmission de l’information génétique
1. La mitose chez une cellule animale
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- Prophase : condensation des chromosomes
- Métaphase : alignement au centre
- Anaphase : séparation des chromatides
- Télophase : formation de deux cellules filles
La mitose assure la production de cellules identiques.
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Les différentes phases de la mitose
| Phase | Caractéristiques |
|---|---|
| PROPHASE |
► La chromatine se condense pour former des chromosomes visibles ► L’enveloppe nucléaire et le nucléole disparaissent progressivement ► Mise en place du fuseau mitotique (fuseau achromatique) |
| MÉTAPHASE |
► Les chromosomes atteignent leur condensation maximale ► Ils s’alignent au centre de la cellule sur le plan équatorial |
| ANAPHASE |
► Les centromères se divisent, séparant les chromatides sœurs ► Les chromatides migrent vers les pôles opposés de la cellule |
| TÉLOPHASE |
► Les chromosomes commencent à se décondense ► L’enveloppe nucléaire se reforme autour de chaque groupe de chromosomes ► Le fuseau mitotique disparaît ► Le cytoplasme se divise (cytocinèse) ► Formation de deux cellules filles identiques |
Chaque phase possède des caractéristiques spécifiques assurant une bonne répartition de l’information génétique.
2. La mitose chez les cellules végétales
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La mitose végétale est similaire à celle des cellules animales mais présente quelques différences.
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a.Cellule animale b. cellule végétale
| Cellule animale | Cellule végétale |
|---|---|
|
Présence d’un organite appelé centrosome qui, en prophase,
s’entoure de fibres formant un aster. La division du cytoplasme se réalise par un étranglement au niveau équatorial. |
Absence de centrosome et d’aster, remplacés par des calottes polaires. La division du cytoplasme se fait par la formation d’une nouvelle paroi au centre de la cellule mère. |
3. Cycle cellulaire
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Le cycle cellulaire correspond à l’ensemble des étapes qu’une cellule traverse, de la fin d’une interphase jusqu’à la suivante (interphase + mitose).
Il comprend deux événements essentiels :
- Duplication des chromosomes pendant l’interphase : chaque chromosome passe d’une seule chromatide à deux chromatides.
- Répartition égale des chromosomes lors de la mitose (anaphase) : les chromatides se séparent et sont distribuées équitablement dans les deux cellules filles.
Résultat : deux cellules filles identiques possédant le même nombre de chromosomes.
4. Caryotype
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Le caryotype permet d’observer les chromosomes classés par paires.
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➤ L'analyse du caryotype de l'être humain montre 46 chromosomes organisés en paires. Chaque paire de chromosomes homologues (semblables par la taille et la position du centromère) est constituée par un chromosome hérité de l'un des parents et un chromosome hérité de l'autre parent.
➤ Les cellules comprennent donc 2n chromosomes, n étant le nombre de paires de chromosomes : ces cellules sont dites diploïdes (2n = 46 chez l'homme, n = 23).
➤ La 23ème paire appelée chromosomes sexuels est différente chez l'homme (chromosomes X et Y) et chez la femme (chromosomes X et X) ; leur présence détermine donc le sexe.
➤ Les 22 autres paires de chromosomes semblables chez l'homme et chez la femme sont appelées autosomes.
➤ Formule chromosomique :
- Chez l’homme : 2n = 44 A + XY (ou 2n = 22AA + XY)
- Chez la femme : 2n = 44 A + XX (ou 2n = 22AA + XX)
III. Nature chimique du matériel génétique
1. Expérience de Griffith
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Ces expériences ont montré qu’une substance libérée par les bactéries S mortes peut être absorbée par les bactéries R, leur permettant de produire une capsule et de devenir des bactéries S. Griffith a nommé cette substance facteur transformant, sans en connaître la nature chimique.
2. Expérience d’Avery
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L’utilisation de la protéase et de la ribonucléase a montré que ni les protéines ni l’ARN n’interviennent dans la transformation des bactéries R en bactéries S. En revanche, l’ajout d’ADNase empêche cette transformation : les bactéries R ne deviennent pas S et la souris survit. Cela prouve que l’ADN est la substance responsable de la transformation.
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Bilan :
Ces expériences démontrent que l’ADN est le seul composant capable de transmettre aux bactéries R la capacité de produire une capsule, prouvant ainsi qu’il est le support de l’information génétique.
3. Expérience de Hershey et Chase
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L’ADN pénètre dans la cellule tandis que les protéines restent à l’extérieur.
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Seul l’ADN est utilisé pour produire de nouveaux virus.
Conclusion : L’ADN est le support de l’information génétique.
4. L’ADN : principal constituant des chromosomes
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- Les chromosomes sont essentiellement constitués d’ADN.
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- Les chromosomes sont composés d’une molécule très fine et très longue d’ADN associée à des protéines.
IV. Composition et structure de l’ADN
1. Composition chimique
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L’ADN est constitué de trois sortes de molécules différentes :
- Un sucre en C5 : Désoxyribose
- L’acide phosphorique H3PO4
- Bases azotées : l’Adénine (A), la Thymine (T), la Guanine (G) et la Cytosine (C).
Ces constituants chimiques sont assemblés en nucléotides. Chaque nucléotide est formé de ces trois éléments.
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1.Groupement phosphate
2. Désoxyribose
3. Bases azotées
4. Nucléotide
L’ADN est un polynucléotide, c'est-à-dire une longue chaîne formée par l'assemblage de nombreux nucléotides. Cette molécule est polarisée, possédant deux extrémités distinctes notées 3' et 5'.
2. Structure de l’ADN
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Règles de Chargaff :
- Constantes : [A] = [T] et [G] = [C].
- Variable : Le rapport (A+T)/(G+C) est spécifique à chaque espèce.
Les clichés de diffraction aux rayons X réalisés par Rosalind Franklin en 1951 révèlent une figure en croix caractéristique, prouvant que l’ADN possède une structure en double hélice.
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L’ADN a une structure en double hélice formée de deux brins complémentaires.
3. Relation ADN / chromosomes
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L’ADN est compacté avec des protéines pour former les chromosomes.
V. Réplication de l’ADN
1. Variation de la quantité d’ADN
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- Phase G1 : quantité stable
- Phase S : duplication
- Phase G2 : quantité doublée
2. Expérience de Meselson et Stahl
Avant 1958, trois hypothèses théoriques coexistaient pour expliquer comment la quantité d’ADN doublait pendant la phase S de l’interphase : les modèles conservatif, semi-conservatif et dispersif.
A. Le protocole expérimental de Meselson et Stahl
Pour tester ces hypothèses, les chercheurs ont utilisé des bactéries E. coli cultivées sur un milieu contenant de l’azote « lourd » (15N), un isotope qui s'intègre dans les bases azotées de l'ADN.
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B. Analyse des résultats de centrifugation
L'ADN est extrait des bactéries à différentes étapes, puis séparé par centrifugation pour observer sa densité. Voici l'analyse des quatre tubes expérimentaux :
- Tube 1 (Témoin léger) : Bactéries cultivées sur 14N. L'ADN se place en haut (densité légère).
- Tube 2 (Génération G0) : Bactéries cultivées sur 15N depuis plusieurs générations. L'ADN se place en bas (densité lourde).
- Tube 3 (Génération G1) : Bactéries 15N transférées sur milieu 14N pour une génération. On observe une bande unique à une position intermédiaire (ADN hybride).
- Tube 4 (Génération G2) : Bactéries après deux générations sur milieu 14N. On observe deux bandes : une intermédiaire et une légère.
Conclusion
L'apparition d'une bande hybride unique en G1 (Tube 3) élimine le modèle conservatif. L'apparition de la bande légère en G2 (Tube 4) élimine le modèle dispersif. Ces résultats prouvent que la réplication est semi-conservative.
Cette expérience montre que la réplication est semi-conservative.
3. Yeux de réplication
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- Yeux de réplication : Structures visibles en phase S où l'ADN se duplique.
- Mécanisme : Chaque œil contient deux fourches de réplication (en Y) qui progressent en sens opposés (réplication bidirectionnelle) grâce à l'ADN polymérase.
4. Mécanisme de réplication
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Résumé de la réplication de l'ADN
La réplication est le mécanisme permettant de doubler l'information génétique. Chaque brin de la double hélice d'origine sert de modèle (matrice) pour la création d'un nouveau brin complémentaire.
Caractéristiques principales :
- L'acteur clé : L'enzyme ADN polymérase catalyse cette synthèse, avec une contrainte stricte : elle ne se déplace que dans le sens 5’ → 3’.
-
Une synthèse asymétrique : Puisque les brins sont antiparallèles, la réplication s'effectue de deux manières :
- Brin avancé (précoce) : Synthèse fluide et continue.
- Brin retardé (tardif) : Synthèse discontinue via des segments nommés fragments d’Okazaki.
La synthèse se fait dans le sens 5’ → 3’.
5. Complémentarité de la duplication et de la mitose
Conservation de l'Information Génétique
Le cycle cellulaire garantit que chaque nouvelle cellule possède un patrimoine génétique identique à la cellule originale grâce à deux étapes clés :
1. La Duplication (Interphase)
Chaque molécule d'ADN est copiée à l'identique. Les deux copies obtenues sont appelées chromatides. À ce stade, le chromosome métaphasique est constitué de deux chromatides sœurs rigoureusement semblables entre elles et à la molécule mère.
2. La Mitose (Division Cellulaire)
Pendant la mitose, les deux chromatides de chaque chromosome se séparent pour migrer vers des pôles opposés de la cellule.
Résultat :- Chaque cellule fille reçoit exactement le même nombre de chromosomes que la cellule initiale.
- L'information génétique est conservée intégralement d'une génération cellulaire à l'autre.
Conclusion
L’information génétique est portée par l’ADN, localisée dans le noyau et transmise fidèlement grâce à la réplication et à la mitose.