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