Comment la Souris fait de la souris … … avec des graines ?
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Comment la Souris fait de la souris … … avec des graines ? d’après « 10 clés pour la Biologie » de J. Tavlitzki « […] La Souris, l’Ecureuil, le Lapin mangent des graines. La Souris fait de la souris, l’Ecureuil fait de l’écureuil, et le Lapin fait du lapin, tous avec les mêmes graines… Autrement dit, le principe général est que les êtres vivants sont dotés de la capacité extraordinaire de transformer les éléments qui leur sont étrangers en leurs propres constituants. Comment peuvent-ils le faire ? Comment la Souris fait de la souris avec des graines ?. La Souris mange des graines, elle les ronge, les réduit en fines particules. Au cours de la digestion, les grosses molécules organiques sont simplifiées. Chaque cellule va en assimiler des nutriments, notamment des acides aminés. Ceux ci seront à la base de la constitution de protéines, mais pas n’importe lesquelles. Chaque cellule refait les protéines qui lui sont spécifiques. Cela veut dire que chaque cellule dispose du plan de construction, d’un ‘programme souris’ qui lui a été transmis et à partir duquel les acides aminés pourront être agencés en protéines spécifiques. » Quand la Souris fait de l’humain ! Expérience de transgénèse : La transgénèse est une technique permettant de transférer un gène d’une espèce donneuse à une espèce receveuse. Laboratoire de Sciences de la Vie et de la Terre Première S Un gène, une protéine Durant les phases G1 et G2 de l’interphase, la cellule est en phase de croissance. Les cellules, sous le contrôle de leur patrimoine génétique, produisent une multitude de protéines, véritables acteurs du métabolisme. Ce laboratoire vise à mettre en évidence les relations entre protéines et ADN. Il devient alors possible de comprendre comment la production des protéines spécifiques de l’individu est dirigée par l’ADN. Votre mission : Comprendre l’hypothèse, devenue célèbre, exposée dès 1940 par Beadle et Tatum : ‘Un gène, une protéine’. Partie 1 : Analyse de la structure d’une protéine enzymatique simple Chez les vertébrés, par exemple, les globules rouges possèdent dans leur cytoplasme de l’hémoglobine, une protéine complexe qui permet de fixer et de transporter le dioxygène dans l’organisme (Visionner le film sur clé USB : datas/genetique/ hemoglobine). Ouvrir le logiciel ‘MolUSc’ (qui permet de visualiser et traiter des données moléculaires) et sélectionner dans le dossier ‘app/molecules’ le fichier relatif à l’hémoglobine : ‘1GZX_hemoglobine.pdb’. Appelez le professeur.. En vous aidant de la fiche technique de MollUSc, sélectionner une des chaines de l’hémoglobine (chaîne B ou D), afficher cette chaine, identifier le dernier acide aminé et en déduire le nombre d’acides aminés de cette chaine et la séquence de la chaine pour les 10 premiers acides aminés (la succession des acides aminés d’une chaine constitue sa séquence). Appelez le professeur. sur votre compte rendu : Imprimer la chaine étudiée (édition > exporter > images). Légendez l’image de la molécule traitée en mettant en évidence les premiers et dernier acides aminés. Partie 2 : La relation entre séquence des acides aminés et séquence de nucléotides La synthèse de l’hémoglobine, comme pour toutes les protéines, est sous le contrôle du programme génétique de la cellule. Une portion d’ADN (séquence de nucléotides) appelée ‘gène’ dirige la synthèse de chaque chaine de l’hémoglobine (séquence d’acides aminés). Ouvrir le logiciel ‘Anagène’ (qui permet d’afficher et de traiter les séquences) et sélectionner dans la banque de séquences (chaîne de l’hémoglobine) les molécules qui nous intéressent : beta.pro (acides aminés de la chaine globine) et betacod.adn (nucléotides de la chaine globine). Le logiciel superpose les séquences des deux molécules (nucléotides d’un brin d’ADN identifiés par une lettre, et acides aminés de la protéine identifiés par un nom en trois lettres). Appeler le professeur. sur votre compte rendu : Retrouver sur le logiciel la longueur des deux molécules (nombre de nucléotides et nombre d’acides aminés).. Retranscrire la séquence des onze premiers acides aminés et la séquence correspondante de l’ADN (attention retouver les deux brins constitutifs de l’ADN). Quelle relation pouvez-vous établir entre gène et protéine à ce stade de l’étude ? Quelle peut être la fonction du dernier triplet de nucléotides ? Partie 3 : Les molécules mises sous surveillance… radioactive L’information nécessaire à l’assemblage des acides aminés d’une protéine est donc portée par l’ADN, localisé dans le noyau des cellules. On s’interroge sur les lieux où vont se dérouler l’assemblage des acides aminés dans la cellule. Prendre connaissance des résultats de biologie moléculaire en annexe. Revenir sur Anagene et sur MolUSc pour comparer les molécules d’ADN et d’ARN (betacod.adn, betacod.arn pour Anagene – adn_c.pdb et arn .pdb pour molUSc). sur votre compte rendu : Analyser les documents et montrer en quoi les études sur l’ARN, un acide nucléique proche de l’ADN, permet d’imaginer un transfert de l’information génétique du noyau vers le cytoplasme. Aidez vous du film sur la clé USB : datas/genetique/synthese_proteique Comparer un fragment d’ADN et d’ARN (composition, structure, séquence) avec les logiciels disponibles Réaliser des schémas pour rendre compte des points communs et des différences entre les deux molécules Employer des techniques d’observation Utiliser des techniques bio ou géologiques Utiliser des modes de représentation Adopter une démarche explicative Compétences personnelles Documentation : Les molécules mises sous surveillance… radioactive L’information nécessaire à l’assemblage des acides aminés d’une protéine est portée par l’ADN, localisé dans le noyau des cellules. On s’interroge sur les lieux où se déroulent l’assemblage des acides aminés dans la cellule. Les documents ci-dessous (s’intéressent à la localisation de l’ADN dans la cellule. Document 1 : Coloration d’une cellule au vert de méthyle-pyronine Les cellules contiennent des molécules chimiquement très proches de l’ADN, appelées ARN (acide ribonucléique). Le vert de méthyle-pyronine, mélange de deux colorants, permet de mettre en évidence d’une part l’ADN, d’autre part l’ARN ; le vert de méthyle colore l’ADN en bleu-vert et la pyronine colore l’ARN en rose. La photographie ci contre présente des cellules du pancréas. Ce sont des cellules qui produisent des protéines en grande quantité. Seuls les noyaux présentent une coloration bleu-vert. La coloration rose se constate par contre dans toute la cellule (cytoplasme + noyau). Document 2 : L’ARN, un acide nucléique proche de l’ADN Les molécules ARN sont chimiquement proches de l’ADN. Comme ce dernier, ils résultent de l’assemblage de nucléotides. Leur structure diffère sur plusieurs points : - le sucre n’est pas du désoxyribose mais du ribose. - la thymine (T) de l’ADN est remplacée par l’uracile (U). - la molécule n’est formée que d’une chaine de nucléotides (molécule monobrin) - les molécules d’ARN sont de longueur nettement inférieure à celle de l’ADN. Document 3 : Traçage radioactif de l’ARN dans la cellule Les deux radiographies ci contre présentent des autoradiographies de cellules qui sont cultivée en présence d’un précurseur radioactif spécifique de l’ARN. Chaque tache noire repère un endroit où se trouve de l’ARN ayant incorporé le présurseur radioactif. Le cliché a présente l’autoradiographie d’une cellule après 15 minutes de culture sur un milieu contenant le précurseur radioactif de l’ARN. Le cliché b correspond à l’autoraradiographie d’une cellule qui a été d’abord cultivée pendant 15 minutes sur un milieu contenant un précurseur radioactif de l’ARN puis pendant une heure et demie sur un milieu contenant des précurseurs non radioactifs de l’ARN. d’après travaux de Brachet - 1951 Document 4 : Localisation du lieu d’assemblage des acides aminés Pour déterminer le lieu où s’effectue la synthèse protéique, on utilise des Acétabulaires, algues unicellulaires de très grande taille (5 à 10 cm de haut à l’âge adulte). Ces algues sont mises en présence d’un acide aminé radioactif : la méthionine (MET). Après 30 mn, l’autoradiographie montre le résultat schématisé ci dessous. Le résultat serait identique si les algues étaient ensuite replacées pendant 3 h dans un milieu « froid » (càd non radioactif) Laboratoire de Sciences de la Vie et de la Terre Première S Un gène, une protéine Votre mission : Comprendre l’hypothèse, devenue célèbre, exposée dès 1940 par Beadle et Tatum : ‘Un gène, une protéine’. Partie 1 : Analyse de la structure d’une protéine enzymatique simple Ouvrir le logiciel ‘MolUSc’ La molécule choisie (l’hémoglobine humaine apparait en représentation : ‘boules et bâtons’ Cette protéine est faite de quatre chaines d’acides aminés distinctes. Le logiciel permet de les visualiser, de changer leur représentation, leur couleur … Plusieurs options du logiciel permettent d’arriver au résultat suivant : Les quatre chaines de l’hémoglobine identifiées par une couleur La chaine D de la béta globine isolée (par effacement progressif des trois autres chaines) On demande de travailler sur une des chaines (béta globine soit chaine B ou D). Le logiciel permet de n’afficher qu’une des chaines. Voir ci-dessus. On traite alors la séquence des acides aminés qui la composent (par le mode séquence) et/ou l’affichage des acides aminés. (soit HIS : histidine) Un travail similaire peut être fait pour identifier les dix premiers acides aminés de la chaine On en déduit la séquence des dix premiers acides aminés : VAL-HIS-LEU-THR-PRO-GLU-GLU-LYS-SER-ALA… Le dernier acide amine de la chaine est : HIS La longueur de la chaine est de 146 a.aminés. fin de la chaine : dernier acide aminé Début de la chaine : 10 premiers acides aminés Chaine béta de l’hémoglobine (146 a.a) Partie 2 : La relation entre séquence des acides aminés et séquence de nucléotides Ouvrir le logiciel ‘Anagène’ et les séquences demandées On retrouve pour le brin d’ADN : 444 nucléotides, et pour la chaine d’acides aminés : 147 acides aminés. On constate que la chaine peptidique finit bien par l’histidine : HIS mais commence différemment (méthionine MET). On constate enfin que chaque triplet de nucléotide correspond à un acide aminé sauf le dernier triplet de nucléotide. On en déduit l’existence d’un code entre l’ADN et la protéine correspondante. Ce code serait que chaque acide aminé est déterminé par un triplet de nucléotides. Le dernier nucléotide marquant la fin de la protéine. Partie 3 : Les molécules mises sous surveillance… radioactive A partir de l’étude des documents, on constate que l’ADN est localisé dans le noyau de la cellule alors que l’assemblage des protéines se déroule dans le cytoplasme. On met aussi en évidence l’existence d’un acide nucléique proche de l’ADN présent aussi bien dans le noyau que dans le cytoplasme. Cet acide nucléique (ARN) semble jouer un rôle dans le transfert de l’information génétique entre le noyau et le cytoplasme. Comparaison avec MolUSc Comparaison ADN, ARN et protéine avec Anagène On constate que le monobrin d’ARNm est similaire (U remplaçant T) à un des deux brins de l’ADN. On confirme qu’il y a bien une correspondance des acides aminés avec des triplets de nucléotides aussi bien de l’ADN que de l’ARNm. On en déduit que l’assemblage des protéines doit se dérouler en deux étapes : Une synthèse d’ARN dans le noyau au contact d’un des deux brins de l’ADN, puis à partir de cet ARNm et après migration de celui-ci dans le cytoplasme, s’opère l’assemblage des acides aminés selon une séquence précise dictée par l’information génétique de l’ADN donc portée par l’ARNm. A partir de ces observations et du film sur la synthèse des protéines on peut réaliser et compéter le schéma suivant. Laboratoire de Sciences de la Vie et de la Terre Première S Le code génétique Nous avons déjà vu qu’il existe une relation entre un triplet de nucléotides de l’ADN et un acide aminé. On retrouve cette correspondance entre un triplet de nucléotides de l’ARNm (que l’on nomme : un codon) et un acide aminé. Un tableau de correspondance ou code génétique, permet de décoder l’ARNm. Votre mission : Comprendre comment on a pu découvrir pas à pas le code génétique et quelles sont ses particularités. Partie 1 : Décoder le message : expérience de Niremberg et Khorana Ces deux chercheurs ont réalisé un système acellulaire privé d’ADN et contenant les 20 types d’acides aminés. A ce système ils ont ajouté des ARNm répétitifs comme par exemple GUGUGUGUGUGU. Ils obtiennent une protéine composée de la séquence suivante : valine –cystéine -valine –cystéine On a renouvelé cette expérience avec d’autres séquences répétitives, on obtient les résultats ci contre : Séquences d’ARNm Protéines obtenues CCCCCCCCCCCC CGAAGGAGACGU CAUAUCCAUAUC UUUUUUUUUUUU pro-pro-pro-pro arg-arg-arg-arg his-ile-his-ile phe-phe-phe-phe sur votre compte rendu : A l’aide des résultats de cette expérience, compléter le code génétique en annexe. Partie 2 : Modéliser une traduction d’un gène en protéine Vous disposez d’une boite contenant des « acides aminés », des nucléotides et des « liaisons ». Construire une molécule d’ADN dont la séquence de nucléotides du brin transcrit est : TACAAACGCTTCGGAAGCATCCAC Puis construire la molécule d’ARNm qui lui correspond (attention au sens de lecture). Et en déduire la protéine correspondante. Appelez le professeur sur votre compte rendu : Recopiez vos résultats dans le tableau en annexe : Partie 3 : Quand l’expression du gène est plus complexe … Jusque ici on a assimilé l’ARM messager à sa région strictement codante. En réalité, on constate que l’ARN élaboré dans le noyau au contact de l’ADN est plus long, plus lourd. Il est appelé ARN pré-messager. Comparer à l’aide d’Anagène la séquence de l’ADN complet, de l’ARN pré-messager résultant de la transcription du gène et de l’ARN messager (fichier HB-Beta.edi). Montrer que l’ARNm est un assemblage de morceaux non contigus de l’ARN prémessager. Il faudra, pour cela utiliser la fonction ‘dotplot’ du logiciel qui permet de comparer l’identité de deux molécules’. Appeler le professeur sur votre compte rendu : Analyser le résultat d’une comparaison ARN pré-messager et ARN messager. Montrer que l’ARN messager résulte d’une maturation de l’ARN pré-messager avec une élimination de certains fragments (introns) et soudure d’autres fragments (exons). Ce phénomène est appelé l’épissage. Légender pour cela le document en annexe Expliquer alors l’expression ‘gène morcelé’. Employer des techniques d’observation Utiliser des techniques bio ou géologiques Utiliser des modes de représentation Adopter une démarche explicative Compétences personnelles Le code génétique : correspondance entre les codons de l’ARNm et les acides aminés. Vous complèterez le tableau à partir des données issues des travaux de Niremberg et Khorana Modélisation d’une traduction d’un gène Triplets de l’ ADN brin non transcrit Triplets de l’ADN brin transcrit Codon de l’ARN messager Protéine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La maturation de l’ARN pré-messager avant la production d’une protéine Comparaison ARN pré-messager (beta globine) avec ARN m (beta-globine) : mise en évidence de trois exons et deux introns. Un gène est transcrit sous forme d’un ARN pré-messager qui subira une maturation pour donner l’ARN messager. C’est cet ARN messager qui sera traduit en une protéine. Laboratoire de Sciences de la Vie et de la Terre Première S Le code génétique Partie 1 : Décoder le message : expérience de Niremberg et Khorana Partie 2 : Modéliser une traduction d’un gène en protéine Triplets de l’ ADN brin non transcrit Triplets de l’ADN brin transcrit Codon de l’ARN messager Protéine ATG TTT GCG AAG CCT TCG TAG GTG TAC AUG MET AAA UUU PHE CGC GCG ALA TTC AAG LYS GGA CCU PRO AGC UCG SER ATC UAG stop CAC GUG Partie 3 : Quand l’expression du gène est plus complexe … La maturation de l’ARN pré-messager avant la production d’une protéine Comparaison ARN pré-messager (beta globine) avec ARN m (beta-globine) : mise en évidence de trois exons et deux introns. Un gène est transcrit sous forme d’un ARN pré-messager qui subira une maturation pour donner l’ARN messager. C’est cet ARN messager qui sera traduit en une protéine.
