Première S - Cours 1

Première S - Cours 1
EXPRESSION, STABILITÉ ET VARIATION
DU PATRIMOINE GÉNÉTIQUE
I. La reproduction conforme des cellules :
1°) Rappels de génétique :
Les chromosomes présents dans le noyau des cellules sont le
support de l’information génétique. Ils sont constitués
d’ADN : acide désoxyribo-nucléique.
Cette molécule est constituée de deux chaines enroulées en
spirale, les deux chaines sont complémentaires grâce aux
nucléotides.
Le nucléotide A d’une chaine est associé au nucléotide T.
Le nucléotide C est associé au nucléotide G.
Chaque portion d’ADN donne une molécule qui intervient
dans la construction ou le fonctionnement de l’organisme.
Ces portions sont appelées gènes.
Chaque chromosome contient donc de nombreux gènes. Ces
gènes existent sous différentes versions : les allèles.
Toutes les cellules d’un organisme sont formées à partir d’une
seule cellule initiale : la cellule œuf. Le nombre de
chromosomes est identique dans toutes les cellules d’un
organisme. De plus, un noyau prélevé sur n’importe quelle
cellule de l’organisme (hormis les cellules sexuelles) contient
toutes les informations génétiques de la cellule œuf initiale.
Il existe donc des mécanismes assurant le maintien du même caryotype dans toutes les cellules d’un individu.
2°) L’activité des cellules en division = la mitose.
Chaque cellule produit, suite à sa division, deux nouvelles cellules (cellules-filles) qui possèdent le
même matériel nucléaire.
La division cellulaire ou mitose conduit à une prolifération des cellules.
Le cycle cellulaire d’une durée de quelques heures dans les méristèmes enchaîne une interphase,
une mitose, et une cytodiérèse.
Avant (comme après) chaque division, la cellule est en interphase.
La mitose est donc le processus selon lequel est assurée la transmission totale du programme
génétique contenu initialement dans la cellule-œuf.
Bien qu’étant un phénomène continu (30 minutes à 3 heures) on peut distinguer 4 phases :
 La prophase : (15 min - 1h) condensation de la chromatine formant des chromosomes constitués
de 2 chromatides réunies par le centromère. Disparition progressive de l’enveloppe nucléaire.
Apparition d’un fuseau de fibres entre les deux pôles cellulaires (= fuseau mitotique ou
achromatique).
 La métaphase : (quelques minutes) période où on observe un regroupement des centromères
dans le plan équatorial du fuseau.
 L’anaphase : (2 à 3 minutes) il existe 2 sortes de fibres (fibres fixes qui guident et fibres de
traction ou de propulsion). Séparation des 2 chromatides de chaque chromosome par rupture du
centromère. Migration des chromosomes à une chromatide en 2 lots identiques vers chacun des
2 pôles cellulaires.
 La télophase : (15 à 60 minutes) décondensation des chromosomes à chaque pôle, disparition du
fuseau, reformation de l’enveloppe nucléaire et division du cytoplasme en 2 cellules filles
(cytocinèse).

Remarque : les asters proviennent du centrosome dupliqué pendant l’interphase (en 2 centrioles). Ceux-ci
n’existent que dans la cellule animale. De plus, la cytocinèse se fait par constriction annulaire pour la cellule
animale et par formation d’une paroi pour la cellule végétale.
3°) La réplication de l’ADN .
À la fin de la division cellulaire, chaque nouvelle cellule hérite d'un nombre de chromosomes identique à celui de
la cellule initiale. Cette conservation du nombre de chromosomes, de cycle cellulaire en cycle cellulaire, est
rendue possible par la réplication de l'ADN.
La réplication de l'ADN est donc un mécanisme moléculaire qui permet le doublement de la
quantité d'ADN avant toute division. C’est un mécanisme universel commun aux cellules
eucaryotes et procaryotes (bactéries).
a- Etude de la variation du taux d’ADN au cours d’un cycle cellulaire
La mitose est précédée d’un doublement de la quantité d’ADN : phase S
La phase G1 correspond à la période de la vie cellulaire pendant laquelle la cellule possède Q ADN
La phase G1 correspond à la période de la vie cellulaire pendant laquelle la cellule possède 2Q ADN
b- Etude d’une expérience historique (Meselson et Stahl)
Voir livre page 28 exercice 1
Bilan :
La réplication de l'ADN s'effectue
suivant un mode semi-conservatif; la
séquence des bases azotées et donc
l'information génétique du brin modèle
sont conservées dans la nouvelle molécule
d'ADN produite après replication.
Les chromatides d'un même
chromosome, résultat de cette
replication, sont identiques entre elles.
Graphe montrant
l’évolution de la
quantité et de
l’aspect d’ADN au
cours d’un cycle
cellulaire

c- Observation de l’ADN en phase S :
On observe des yeux de
réplication (plusieurs yeux sur
la même molécule d’ADN).
À chaque coin de l’œil (fourche
de réplication) se trouve un
complexe enzymatique.
d- Mécanismes moléculaires de la réplication :
La réplication s'effectue en plusieurs étapes pendant la période de l’interphase qui précède la mitose
(phase S). Elle dure environ 8 heures chez les cellules eucaryotes.
- les deux brins d'une molécule d'ADN (les deux chaînes polynucléotidiques) sont séparés au niveau de
leurs bases azotées complémentaires adénine-thymine et guanine-cytosine sous l'action d'un
complexe enzymatique spécifique.
La double hélice « s'ouvre », formant une « fourche de réplication » ;
- deux brins, complémentaires de chaque brin séparé (brin modèle), sont synthétisés grâce à l'action de
l'ADN polymérase, suivant la loi de complémentarité des bases azotées A-T et C-G.
- A la fin de l'interphase, chaque filament chromosomique est dupliqué (phase G2). Le matériel génétique
est alors présent sous la forme de paires de filaments, réunis entre eux par un centromère.
Chaque paire de filaments se condense peu à peu en chromosome à deux chromatides, et l'enveloppe
nucléaire disparaît : c'est la prophase, première étape de la mitose…
Les deux nouvelles cellules issues de la mitose héritent ainsi du même nombre de chromosomes que
la cellule initiale. Chaque chromosome, constitué d'une seule chromatide, se décondense peu à peu ;
le retour en interphase (phase G1) permet d'amorcer un nouveau cycle cellulaire.
La réplication de l'ADN assure ainsi, aux mutations près, une stabilité qualitative de l'information
génétique, de génération en génération de cellules.
La réplication et la mitose qui lui succède assurent la conservation de la quantité d'ADN et de son
contenu informatif (les gènes et leurs allèles, donc le génotype) entre toute cellule qui se divise et les
cellules qu'elle produit. Ces processus permettent le maintien du génotype au cours d'un cycle
cellulaire et expliquent l'existence de clones.
II. L’expression du patrimoine génétique :
1°) Relation entre ADN et protéine.
Le phénotype d’un individu est sous la dépendance des protéines. Ces molécules sont très nombreuses et
variées, elles constituent la « boite à outils » permettant d’assurer toutes les fonctions ainsi que
participer à la fabrication de des constituants de l’organisme.
Les protéines sont des macromolécules formées par l’assemblage d’acides aminés. Il existe 20 acides
aminés différents, possédant des propriétés chimiques propres (acide, basique, hydrophobe, hydrophile,
etc. ..). Ainsi une chaine polypeptidique (enchainement d'acides aminés) va adopter une forme
caractéristique sous l'influence des acides aminés qui la constitue

Des expériences de transgénèse montrent qu’il existe une relation entre une portion d’ADN (=un gène) et
l’expression d’une protéine donnée.
Le phénotype d’un individu dépend donc de son génotype dont l’expression se traduit par la synthèse de
protéines.
2°) Intermédiaire entre ADN et protéine.
a- Faits expérimentaux :
- L’ADN n’est présent que dans le noyau des cellules eucaryotes et ne peut en sortir.
- La synthèse des protéines se réalise dans le réticulum endoplasmique situé dans le cytoplasme.
- Le marquage radioactif de constituants de l’ADN et l’observation de pores dans l’enveloppe
nucléaire montrent qu’il existe un intermédiaire constitué de nucléotides qui est fabriqué dans
le noyau à partir de l’ADN et qui sort du noyau par les pores nucléaires pour permettre la
synthèse des protéines.
Cette molécule est appelée ARN.
b- La molécule d’ARN
L’ARN est constitué d’une seule chaîne linéaire.
La chaîne est un long polymère de 4 structures différentes : les acides ribonucléiques.
Les acides ribonucléiques résultent de l’assemblage :
- d’un acide phosphorique
- d’un ribose
- d’une base azotée : Adénine, Guanine, Cytosine, Uracile.
La comparaison des séquences d’ADN et d’ARN codant pour la même protéine montre que l’ARN est
une copie d’un des deux brins de l’ADN (le nucléotide uracile remplaçant la thymine)
On parle alors de brin transcrit de l’ADN qui est complémentaire de l’ARN.
Le mécanisme de copie se fait dans le noyau : c’est la transcription.
3°) La transcription.
L'ARN est fabriqué grâce à un complexe
enzymatique : l'ARN polymérase.
L’enzyme écarte es deux brins de l'ADN
au niveau du gène à exprimer.
Le brin transcrit servira de matrice à la
molécule d'ARN. L’enzyme permet la
fixation des nucléotides libres qui
formeront l'ARN.
La transcription est rapide et plusieurs molécules d'ARN sont
synthétisées simultanément, constituant autant de copies
identiques d'un même gène qui pourront gagner le cytoplasme
servant ainsi de messager entre le noyau et le lieu de synthèse
des protéines.
On observe ainsi des « figures en sapin » interprétées comme un
gène parcouru en même temps par plusieurs ARN-polymérases.
Différences avec l’ADN

4°) Les modifications de l'ARN après la transcription.
Une expérience d'hybridation entre de l'ADN et de
l'ARN d'un gène montrent que l'ARN est plus court que
le fragment d'ADN du gène qui a été transcrit.
À l'issue de la transcription, les ARN ont une
séquence complémentaire du gène dont ils sont
issus : ce sont des ARN pré-messagers. Ils
subissent ensuite un épissage : certains
fragments (introns) sont éliminés et les
fragments conservés (exons) sont « recollés ».
Les ARN messagers (ARNm) ainsi obtenus sont
exportés dans le cytoplasme.
Selon le contexte cellulaire, un même ARN pré-
messager peut subir des épissages différents.
Cet épissage alternatif permet à un même gène
de coder pour plusieurs protéines différentes
selon les exons retenus pour la constitution de
l'ARN messager.
5°) La traduction.
La traduction est la transformation d’un triplet de nucléotides (= codon) sur une molécule d’ARN
messager, dont la séquence permettra l’assemblage d’un acide aminé donné. Cette
correspondance est appelé code génétique.
La traduction débute par la fixation d’un ribosome (sorte d’«outil moléculaire » fabriqué à partir
d’ARN particuliers) au niveau d’un codon
d’initiation (AUG = méthionine) de la molécule
d’ARNm.
Le ribosome se déplace alors par
translation de long de la chaîne d’ARNm et
à chaque codon fait correspondre l’acide
aminé correspondant. Une liaison peptidique
va lier chaque acide aminé avec celui qui le
précède (formation d’un polypeptide). La
traduction prend fin lorsque que le
ribosome rencontre un codon-stop ne
correspondant à aucun acide aminé. Il se
détache et le polypeptide est libéré.
Remarque : la fixation de l’acide aminé sur le codon se
fait par l’intermédiaire d’un autre « outil
moléculaire » : les ARN de transfert (ARNt) qui possèdent un anti-codon complémentaire d’un codon et fournissent
l’acide aminé correspondant au codon selon le code génétique.