I. Le cycle cellulaire
Le cycle cellulaire est une portion de la vie de la cellule dont la
durée est variable. En moyenne chez l'Homme, ce cycle dure une
vingtaine d'heures. Il est constitué d'une interphase et d'une
division cellulaire.
1) L'interphase
L'interphase est la phase durant laquelle la cellule croît et réplique son
ADN. Elle est constituée de trois phases : la phase G1, la phase S et la phase
G2.
La phase G1 est une phase de préparation à la réplication de l'ADN. La
cellule grossit. Tant que la taille de la cellule n'est pas correcte et que
l'environnement n'est pas favorable, la cellule est bloquée dans cette phase.
Durant cette phase, il y a aussi un contrôle des lésions éventuelles de l'ADN.
Cette phase est donc la plus longue et la plus variable du cycle.
La phase S (phase de synthèse) est la phase de réplication de l'ADN. La
quantité d'ADN est alors doublée.
La phase G2 est une phase de vérification de la réplication. La cellule
vérifie s'il n'y a pas eu d'erreurs et si tout l'ADN a été répliqué. C'est aussi une
phase de préparation à la division cellulaire.
Les cellules spécialisées ne se divisent plus. Elles sont en phase G0.
Durant cette phase, elles réalisent de nombreuses synthèses. Certaines
d'entre elles peuvent être à nouveau recrutées et retourner dans le cycle
cellulaire précédent.
2) La division cellulaire
La division cellulaire est aussi appelée mitose. Les chromosomes de la
cellule eucaryote qui étaient invisibles jusque là se condensent et deviennent
visibles. La cellule « mère » donne naissance à deux cellules « filles »
identiques.
Durantcette phase, la quantité d'ADN est divisé par 2. Les chromosomes
se séparent de façon à ce que l'information génétique soit identique dans les
deux cellules « filles ». Le caryotype des deux cellules filles sera identique.
Interphase
Réplication de l'ADN
Mitose
Chromosomes
Cellule eucaryote
caryotype
II. La réplication de l'ADN
Lors de la phase S de l'interphase du cycle cellulaire, la quantité
d'ADN est doublée. L'ADN est reproduit à l'identique
1) Mise en évidence expérimentale
En 1957, Meselson et Stahl cultivent des bactéries afin d'étudier la
réplication de l'ADN. Pour cela, ils utilisent des milieux utilisant de l'azote
14 ou de l'azote 15. L'azote 15 est plus lourd que l'azote 14. L'ADN formé avec
de l'azote 15 sera donc plus dense que celui formé avec de l'azote 14. Ils
pourront être séparés par centrifugation. La position de la molécule dans le
tube indiquera sa densité.
Ils cultivent d'abord les bactéries dans un milieu contenant de l'azote
15 pendant un grand nombre de générations de sorte que leur ADN ne
contient plus d'azote 15. La densité de l'ADN de ces bactéries sur le milieu à
azote 14.Elles répliquent leur ADN sur ce nouveau milieu.
Leur hypothèse était qu'une nouvelle molécule serait produite à côté de la
première, ils obtiendraient alors une molécule lourde avec l'azote 15
(l'ancienne) et une légère avec l'azote 14 (la nouvelle). Or ce n'est pas ce
qu'ils ont observé. La centrifugation du tube 3 montre densité intermédiaire
(1.675). La génération suivante donne deux types d'ADN : l'un de densité
intermédiaire et l'autre de faible densité. Il leur faut donc imaginer un
autre système de réplication.
2) Le mécanisme de la réplication
La réplication de l'ADN s'effectue selon un mode semi-conservatif, fondé
sur la complémentarité des bases azotées. Les deux brins de l'ADN se séparent
et de nouveaux nucléotides se fixent sur chacun d'eux selon la
complémentarité A-T et C-G. On aboutit à deux molécules absolument
identiques. Cette réplication est gouvernée par des enzymes tels que l'ADN
polymérase entre autres. Son fonctionnement nécessite de l'énergie.
Les résultats s'expliquent par ce mécanisme. La première génération de
bactéries avait un ADN mixte composé d'un brin contenant de l'azote 15
(ancien) et un brin contenant de l'azote 14 (nouveau). Lors de la deuxième
génération, cette molécule mixte s'est ouverte et des nouveaux nucléotides se
sont fixés formant ainsi une molécule mixte et une molécule entièrement
constituée de brins contenant de l'azote 14.
ADN
Base Azotée
Nucléotide
Complémentarité des bases
Enzyme
III. La reproduction conforme de
la cellule
La reproduction conforme correspond à la formation de
deux cellules « filles » identiques à la cellule de départ. Appelée
aussi mitose, elle se produit chez tous les eucaryotes avec un
rythme variable selon les espèces et est constituée de 4 phases.
1) La prophase
Les chromosomes se condensent à partir de la chromatine présente
dans le noyau. Chaque chromosome possède deux chromatides puisque l'ADN
a subit une réplication lors de la phase S de l'interphase. Chaque
chromatide est donc constituée d'une molécule d'ADN. Les deux chromatides
d'un même chromosome sont donc identiques. L'enveloppe nucléaire
disparaît.
2) La métaphase
Les fibres du fuseau se fixent au centromère de chaque chromosome.
L'ensemble des chromosomes se groupe sur le plan équatorial de la cellule.
C'est à ce stade que l'on peut réaliser des caryotypes.
3) L'anaphase
Les chromosomes se clivent au niveau du centromère et les deux
chromatides de chaque chromosome migrent chacune vers un pôle de la
cellule. La forme en V prise par les chromatides est due au fait qu'elles sont
tractées par les fibres du fuseau au niveau du centromère. A la fin de cette
phase, on obtient à chaque pôle de la cellule, la moitié des chromatides,
chacune d'elle représentant un chromosome.
4) La télophase
Le fuseau de fibres disparaît, les chromatides se décondensent dans
chaque future cellule « fille », dont ils formeront les noyaux. L'enveloppe
nucléaire se reconstitue autour dela chromatine. Le cloisonnement du
cytoplasme permet d'aboutir aux deux cellules filles.
Dans chaque cellule nouvellement formée, il y a le même équipement
chromosomique donc la même information génétique, et il y a tout le
matériel nécessaire à la vie de la cellule : le cytoplasme de la cellule mère
s'est séparé en deux de manière équitable.
Chromatines
Chromatide
Centromère
Diploïde
IV. Variabilité et mutation de
l'ADN
Lors de la réplication de l'ADN, des erreurs spontanées et rares peuvent
se produire. Ces erreurs sont des mutations. Elles modifient la séquence
d'ADN, ce qui peut avoir des conséquences plus ou moins importantes sur
l'expression des gènes.
1) Les différents agents mutagènes
La fréquence des mutations est très faible, mais leur nombre peut être
augmenté par des facteurs externes comme certains rayonnements (UV,
rayons X, rayonnements radioactifs...) ou certains produits chimiques
(amiante, benzène)
Les rayonnements : ils provoquent des modifications dans la séquence
d'ADN en créant des liaisons covalentes entre les bases adjacentes (rayons
UV). Les radiations ionisantes (rayons X, radioactivité) produisent des
radicaux libres qui endommagent l'ADN et bloquent la réplication et la
transcription. Elles causent aussi des pertes de bases, des ajouts et des
réarrangements de la séquence d'ADN.
Les produits chimiques:certaines molécules peuvent prendre la place des
bases azotées, s'intercaler entre elles (benzène), modifier leur structure.
D'autres peuvent lier les brins entre eux ou sectionner l'ADN
2) Les conséquences des mutations
Les cellules somatiques : ces cellules ne subissent que des mitoses. Ainsi,
la mutation ne sera présente que dans le clone de la cellule mutée. Les
mutations dans ces cellules entraînent des conséquences uniquement au
niveau de l'individu (cancer, maladies auto-immunes).
Les cellules germinales : comme ces cellules sont à l'origine des
gamètes, la mutation pourra être transmise à un autre individu, elle
donnera naissance à un nouvel allèle. Elle deviendra alors héréditaire et
sera à l'origine de la diversité des allèles, et donc de la biodiversité.
Mutations
Agents mutagènes
Cellules somatiques
Clone
Cellules germinales
Allèle
Biodiversité
V. La synthèse des protéine
Un gène contient l'information génétique nécessaire à la
synthèse d'une chaîne polypeptidique ou protéine. Certaines
protéines complexes sont situées de plusieurs chaînes
polypeptidiques reliées ensemble, comme l'hémoglobine. La
synthèse de ce genre de protéine est donc gouvernée par plusieurs
gènes
1) L'ADN, molécule informative
La molécule d'ADN est formée par deux chaînes polynucléotidiques
complémentaires, antiparallèles et enroulées en double hélice. Un seul des
deux brins est utilisé pour fabriquer les protéines : c'est le brin transcrit.
L'information est une suite ordonnée de 4 nucléotides (nucléotide à
adénine, à thymine, à guanine, à cytosine) avec un début, une fin et un
sens précis de lecture. Toute modification de l'information génétique est une
mutation qui peut éventuellement changer la séquence d'acides aminés de
la protéine correspondante, et, donc, sa structure et sa fonction.
2) La localisation de la synthèse des
protéines
On réalise une expérience en utilisant des acides aminés radioactifs.
Les cellules du milieu de culture les incorporent aux protéines nouvellement
synthétisées. On retrouve la radioactivité uniquement dans le cytoplasme de
la cellule. On peut en déduire que l'incorporation des acides aminés dans
une protéine se fait toujours dans le cytoplasme.
L'ADN est une macromolécule bien trop grosse pour pouvoir sortir du
noyau. On en déduit qu'un intermédiaire est nécessaire entre l'ADN localisé
dans le noyau et les protéines synthétisées dans le cytoplasme.
3) La molécule d'Acide Ribonucléique ou
ARN
La molécule d'ARN est un intermédiaire entre l'ADN et la protéine. Elle
est chimiquement très proche de l'ADN. Il s'agit de l'Acide Ribonucléique. Le
sucre qui le compose est un ribose alors que c'est un désoxyribose dans l'ADN.
Parmi les 4 bases azotées composant l'ARN, l'uracile remplace la Thymine
dans l'ARNm (ARN messager). L'ARNm n'est constituée que d'une chaîne
polynucléotidique.
Gène
Peptide
Polypeptide
Protéine
Radioactivité
VI. La première phase de la
synthèse des protéines : la
transcription
La transcription est la première phase de la synthèse des
protéines. Elle est localisée dans le noyau et permet de passer de
l’Adn à la molécule d’ARN pré-messager
1) La synthèse de l’ARN pré-messager
La séquence de nucléotides de l’ADN est transcrite en séquence de
nucléotides de l’ARN sous le contrôle d’un complexe enzymatique, l’ARN
polymérase.
C’est un complexe enzymatique qui se déplace sur l’ADN, sépare les brins
sur une petite portion, incorpore les nucléotides par polymérisation selon la
complémentarité des bases et reforme la double hélice. La synthèse d’une
molécule d’ARN messager à partir d’un gène de l’ADN s’appelle la
transcription. Elle correspond à la formation d’une séquence nucléotidique
complémentaire d’un fragment d’ADN. La séquence d’ARNm étant
strictement déterminée par l’Adn, l’information génétique est conservée.
Un seul brin sert de matrice (modèle) pour la synthèse d’ARNm : c’est le
brin transcrit. L’autre brin est appelé brin non transcrit ou brin codant.
2) L’amplification des gènes
En fait, plusieurs ARN polymérases agissent en même temps. De
nombreuses molécules d’ARNm identiques sont donc fabriquées en même
temps. On dit que le gène est amplifié
3) La maturation
Une fois formé, l’ARN pré-messager peut subir des maturations
différentes et donner naissance à des protéines différentes. Cela dépend du
contexte.
D’autre part, il peut subir un épissage. En effet, certains gènes sont en
mosaïque, c à d qu’ils possèdent au sein de leur ADN des parties non
codantes. L’épissage correspond au retrait de ces informations non codantes
(introns) du gène. Lorsque cette maturation est terminée, l’ARN est
raccourci et ne correspond plus qu’aux parties codantes (exons) du gène :
on parle d’ARN messager.
L’ARN messager passe dans le cytoplasme où se fabriquent les protéines.
Sa durée de vie est très courte : elle va de quelques minutes à quelques jours,
avec pour la grande majorité des ARNm une durée de vie de quelques
heures.
ARN polymérase
Brin codant
Intron/Exon
VII. La deuxième phase de la
synthèse des protéines : la
traduction
La traduction est la deuxième ét
ape de la synthèse des
protéine. Il s'agit du passage de l'ARNm à la protéine. Elle
s'effectue dans le cytoplasme
1) Le code génétique
Le passage d'une séquence de nucléotides de l'ARNm à une séquence
d'acides aminés se fait par l'intermédiaire d'un code : le code génétique. Il
permet d'associer une suite de 3 nucléotides, appelée codon, à un acide
aminé. Il existe 64 codons différents mais tous ne odent pas pour un acide
aminé :
61 codent pour les acides animés. Comme il n'y a que 20 acides
aminés, il existe donc plusieurs codons pour un acide aminé. On dit que le
code est redondant. Un codon ne code que pour un acide aminé. Parmi eux
AUG est le codon initiateur, c à d celui qui va débuter la synthèse protéique.
Il est associé à la méthionine qui est souvent enlevée lors de la maturation
de la protéine ;
3 codons commandent l'arrêt de la synthèse protéique : ce sont les
codons non-sens, appelés aussi codons stop
2) Le mécanisme de la traduction
Les ribosomes assurent la traduction. Ce sont de petits éléments
cytoplasmiques de forme globulaire. Ils sont constitués de deux sous-unités :
la petite est le site de lecture et la plus grosse permet la formation de la
liaison peptidique entre deux acides aminés
Ils transforment la séquence de l'ARNm en polypeptides en trois étapes :
L'initiation : un ribosome se fixe sur le codon initiateur
L'élongation : le ribosome se déplace le long de l'ARNm, lit chacun
des codons et accroche les acides animés aux précédents en formant des
liaisons peptidiques
La terminaison : lorsque le ribosome arrive au niveau d'un codon
stop, l'élongation se termine, l'ARNm et le ribosome se détachent
Un même Arnm peut être lu par de nombreux ribosomes en même
temps, ce qui forme un polysome. La lecture d'un ARNm est très rapide et de
nombreux ribosomes agissent en même temps : il y a de nouveau une
amplification. Un gène permet la synthèse de nombreux ARNm qui
permettent la synthèse de nombreuses protéines.
Polysome
Amplification
VIII. L'expression du patrimoine
génétique
Les protéines sont des éléments moléculaires fondamentaux de la
cellule et de l'organisme. En effet, elles occupent des fonctions très
importantes : enzymes, protéines de structure, de défense (anticorps), de
transport, hormones... La production de chaque protéine est sous la
dépendance d'un gène
1) Le phénotype à différentes échelles
Le phénotype désigne les caractéristiques observables d'un organisme qui sont
relatives à un aspect morphologique, anatomique ou physiologique. Il peut être
défini aux différentes échelles d'organisation de son vivant.
Le phénotype moléculaire correspond aux protéines qui se trouvent dans la
cellule. La présence de ces protéines est directement déterminée par le génotype. Le
phénotype cellulaire correspond aux caractéristiques de la cellule données par la
présence de telle ou telle protéine. Le phénotype macroscopique correspond aux
caractéristiques données par les cellules qui constituent son organisme.
2) L'expression du génotype dans une
cellule
Au sein d'une espèce, chaque gène a un emplacement précis sur un
chromosome précis. On nomme cet emplacement le locus du gène. Dans une
cellule, deux versions différentes d'un même gène peuvent exister sur chacun
des chromosomes homologues au même locus. Ce sont les allèles du gène. Les
allèles d'un gène peuvent ne différer que par quelques nucléotides changés
par mutation. Les protéines synthétisées dépendent donc des allèles présents.
Toutes les cellules d'un organisme possèdent le génotype complet de
l'individu mais elles n'en expriment qu'une partie selon le type cellulaire
auquel elles appartiennent. Ainsi, certaines cellules expriment des gènes que
d'autres n'utilisent pas. On appelle ce phénomène la différenciation. Une
cellule différenciée possède une fonction précise et utilise des gènes précis
3) La modulation de l'expression du
génotype
L'ensemble des protéines qui se trouvent dans une cellule dépend aussi
de facteurs externes. En effet, certaines cellules réagissent à la présence
d'éléments extérieurs et modifient l'activité de certains gènes. L'expression
des gènes peut varier au cours du temps pour une même cellule. Elle est
régulée soit par l'environnement cellulaire, soit par l'environnement de
l'individu.
Phénotype
Génotype
Locus
Environnement cellulaire
Environnement de l'individu