Thème 1 : La Terre dans l`Univers, la vie et l`évolution du vivant

SECONDE 2011-2012
Fabien DUBOIS
Thème 1 : La Terre dans l'Univers, la vie et l'évolution du vivant.
Chapitre 3 : La vie des cellules, leur milieu de vie et l'information génétique.
SOMMAIRE
1- Les caractéristiques fonctionnelles des cellules :
1-1 : Le métabolisme cellulaire est contrôlé par les conditions du milieu (conditions environnementales) : :
Respiration cellulaire et fermentation alcoolique
1-2 : Le métabolisme cellulaire est contrôlé par le patrimoine génétique.
2- L'ADN est le support universel de l'information génétique :
2-1 : ADN et information génétique.
2-2 : La nature chimique et la structure de la molécule d'ADN : TP6
2-3 : La molécule d'ADN et la variation génétique : la notion de mutation.
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1- Les caractéristiques fonctionnelles des cellules :
Les cellules sont des unités de vie, c'est à dire un milieu intracellulaire dans lequel se déroulent des
réactions chimiques qui constituent le métabolisme cellulaire. Ces réactions biochimiques ne sont possibles qu'avec
des échanges réalisés avec le milieu environnant ou milieu extracellulaire.
Deux types de réactions chimiques caractérisent le métabolisme cellulaire :
- les réactions de synthèse (ou anabolisme) nécessitant une consommation d'énergie, comme par exemple la
synthèse d'une protéine.
- les réactions de dégradation (ou catabolisme) comme par exemple la dégradation du glucose par respiration en
dioxyde de carbone et en eau avec dégagement d'énergie.
1-1 : Le métabolisme cellulaire est contrôlé par les conditions du milieu extracellulaire :
Pasteur, en 1857, a montré que la levure de bière (Saccharomyces cerevisae) est un
organisme qui se développe en se multipliant dans une solution de glucose bien aérée. Ce
champignon absorbe du dioxygène et rejette du dioxyde de carbone, on dit que la levure
respire. C'est un organisme qui se développe en aérobiose.
Lorsque les conditions environnementales sont modifiées : milieu clos sans dioxygène
en présence de glucose, ces mêmes levures consomment le glucose tout en rejetant du
dioxyde de carbone et de l'alcool éthylique. On dit que la levure fermente et qu'elle se
développe en milieu anaérobie.
La levure, en fonction des conditions du milieu, a la capacité de respirer ou de fermenter. Le passage de la
respiration à la fermentation est réversible. En présence de dioxygène, la levure peut à nouveau respirer. Cette
alternance constitue l'effet Pasteur.
Organisme concerné
Conditions du milieu
Saccharomyces cerevisae
Glucose + dioxygène (milieu aérobie)
Saccharomyces cerevisae
Glucose et absence de dioxygène
(milieu anaérobie)
Métabolisme
RESPIRATION
Consommation de dioxygène, du
glucose et production de matières
organiques et de CO2.
FERMENTATION
Consommation de glucose et
production de CO2 et d'éthanol
(alcool)
Doc.1 : Tableau des résultats expérimentaux sur l'influence de l'environnement sur le métabolisme des
levures (Saccharomyces cerevisae)
Les conditions du milieu (ici présence ou absence de dioxygène) contrôlent le déroulement
des activités métaboliques (respiration ou fermentation) chez la levure (Saccharomyces
cerevisae)
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1-2 : Le métabolisme cellulaire est contrôlé par le patrimoine génétique :
Chez la Levure, on connaît des souches qui sont différentes par la couleur des colonies qu'elles forment en
milieu solide (sur de la gélose dans une boîte de Pétri) : ils existent des colonies blanches (colonies sauvages) et des
colonies rouges (colonies mutantes).
Doc.1 : Résultats de la mise en culture de levures sauvages et mutées
Cette différence de phénotype (ensemble des caractères observables d'un individu) macroscopique entre
les deux souches de levure est due à une différence biochimique en lien avec leur capacité de synthétiser ou non de
l'adénine à partir de précurseurs présents dans le milieu.
La chaîne de fabrication de l'adénine est complexe et comprend de nombreuses étapes que le schéma ci-dessous
résume.
Chaîne de biosynthèse de l'adénine pour les souches sauvages de couleur blanche :
Gène ADE2
normal
Enzyme 1
Précurseurs
de l'adénine
Composé
intermédiaire
AIR coloré
Composé
intermédiaire
CLAIR coloré
3
Adénine
Colonies de
levures de
couleur blanche
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Chaîne de biosynthèse de l'adénine pour les souches sauvages de couleur rouge :
Gène ADE2
mutant
Enzyme 2
Précurseurs
de l'adénine
Composé
intermédiaire
AIR coloré
Composé
intermédiaire
CLAIR coloré
Adénine
Colonies de
levures de
couleur rouge
Chez la souche mutante, la chaîne de réaction est bloquée à une étape où le produit intermédiaire formé
'AIR) est de teinte rose (en milieu aérobie). C'est son accumulation dans une cellule de levure qui confère à celle-ci
une couleur légèrement rose (la couleur rouge de la colonie est due à un effet de masse). C'est une mutation du
gène ADE2 qui est à l'origine de cet arrêt de synthèse de l'adénine et de l'accumulation du composé coloré.
Pour en savoir plus : http://www.didier-pol.net/4MUT-LEV.html
Les séquences de l'allèle sauvage et d'allèles mutés du gène Ade2 ont été établies, le tableau ci-dessous
résume les différences observées :
Organisme concerné
Couleur de la
colonie
Séquence du gène Ade2
Position et nature du
changement
Saccharomyces cerevisae
Blanche
…..GGTAATACTAGATGCTGAAAATTCTCCC..
..
Le nucléotide 102 est une
Guanine
Saccharomyces cerevisae
Rouge
…...GGTAATACTAGATGCTTAAAATTCTCCC.
...
Le nucléotide 102 est une
Thymine
Doc.2 : Comparaison des séquences d'une portion du gène Ade2 chez une souche sauvage et une souche
mutante de Levure.
La levure (saccharomyces cerevisae) a la capacité d'utiliser ou non les précurseurs de
l'adénine dans le milieu en fonction de son patrimoine génétique. Cet exemple montre le
rôle du patrimoine génétique sur le métabolisme cellulaire.
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2- L'ADN est le support universel de l'information génétique :
2-1 : Les expériences de transgenèse confirment l'universalité de la molécule d'ADN :
La transgenèse animale a été réalisée avec succès pour la première fois il y a 18 ans, lorsqu'en 1982 R.D.
Palmiter, R.L. Brinster et leurs collègues obtenaient des souris transgéniques exprimant très intensément le gène
d'hormone de croissance de rat, jusqu'au point de devenir géantes : un transgène (gène d'une espèce transféré
chez une autre espèce) pouvait très bien fonctionner chez son hôte et modifier très significativement sa
physiologie. A l'inverse des plantes, les animaux ne peuvent être régénérés à partir seulement d'une cellule
somatique. L'embryon est donc un passage obligé à un moment ou à un autre si l'expérimentateur souhaite obtenir
une lignée d'animaux transgéniques.
Pour en savoir plus sur la transgenèse animale et ses techniques :
D’après http://www.inrp.fr/Acces/biotic//biomol/transgen/html/transan.htm
Pour en savoir plus sur la transgenèse végétale :
http://www.inrp.fr/Acces/biotic//biomol/transgen/html/transveg.htm
Étude d'un cas de transgenèse :
Lorsque cette méduse (Aequorea victoria) normalement incolore est éclairée
par une lumière ultraviolette (UV), elle émet une couleur verte fluorescente. Cette
particularité est liée à l'existence d'une protéine que les chercheurs ont appelé
GFP pour « Green Fluorescent Protein ». cette protéine est produite dans les
cellules de la méduse à partir d'un gène appelé aussi gène GFP.
Remarque : La protéine fluorescente verte GFP est depuis quelques décennies "le
microscope" des biochimistes, biologistes et autres chercheurs dans le domaine
médical ; la forte couleur verte de la GFP apparaissant sous lumière bleue ou UV.
Ainsi dans les applications directes, la GFP permet d'illuminer la croissance des
tumeurs cancéreuses, le développement de la maladie d'Alzheimer ou l'évolution de bactéries pathogènes . En
couplant la protéine GFP (facilement traçable de par sa fluorescence verte) à une de ces protéines cellulaires, les
chercheurs peuvent à présent suivre son comportement, ses mouvements et ses interactions.
Pour en savoir plus : http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/gfp/gfp.html
Le document ci-dessous schématise quelques-unes des étapes permettant d'insérer le gène GFP, prélevé
chez un organisme donneur (la méduse), dans les cellules d'un autre organisme (ici une souris). Cette technique de
transfert de gènes s'appelle la transgenèse. Les individus ayant reçu le gène sont des OGM ou Organismes
Génétiquement Modifiés. Le gène transféré s'exprime normalement, ce qui démontre l'universalité de
l'information génétique et donc de l'universalité de la molécule d'ADN.
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Doc.3 : Étapes de la transgenèse du gène GFP de la méduse à une souris devenue fluorescente
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2-2 : La nature chimique et la structure de la molécule d'ADN : TP7
Une molécule d'ADN est formée de deux chaînes (ou brins) enroulées autour de l'autre en double hélice.
Chaîne de nucléotides
(hélice bleue)
Chaîne de nucléotides
complémentaires
(hélice rouge)
Doc.4 : Structure en double hélice de la molécule d'ADN
Chaque brin d'ADN est constitué d'un assemblage d'unités élémentaires appelés nucléotides. Un nucléotide
est formé par l'association de trois types de molécules différentes :
•
•
•
Un sucre : le désoxyribose
Un acide phosphorique : H3PO4Une base azotée.
Il existe 4 bases azotées différentes donc 4 nucléotides différents : un nucléotide à adénine, un nucléotide
à thymine, un nucléotide à cytosine et un nucléotide à guanine.
Doc.5 : Structure d'un nucléotide à adénine et des 4 nucléotides
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Pour former une double hélice, les nucléotides s'associent deux à deux : ce sont des nucléotides complémentaires
grâce à une complémentarité des bases azotées.
L'adénine s'associe à la thymine par 2 liaisons hydrogène (liaisons faibles), la cytosine s'associe à la guanine
par 3 liaisons hydrogène.
Doc.6 : Deux brins complémentaires d'une molécule d'ADN
La molécule d'ADN est formée de deux brins de nucléotides complémentaires enroulés en double hélice.
Doc.7 : Schéma d'un
fragment de molécule
d'ADN
Pour en savoir plus : http://www.snv.jussieu.fr/vie/documents/decouverteadn/
2-3 : La molécule d'ADN et la variation génétique : la notion de mutation.
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L'information génétique est contenue dans la séquence ordonnée de nucléotides de l'ADN. Une séquence
ordonnée de nucléotides ou séquence d'ADN constitue une version d'un gène ou allèle. Un gène s'exprime en
donnant naissance à une protéine dont la structure ordonnée en acides aminées dépend de la structure ordonnée en
nucléotides de la version du gène qui s'exprime.
La séquence ordonnée de nucléotides d'un gène constitue un message qui contrôle un caractère
héréditaire (couleur des yeux, forme des cellules, …..)
La modification d'un seul nucléotide (mutation) de la séquence de l'ADN d'un gène peut entraîner la
modification d'un acide aminé de la protéine correspondante. Ce changement d'acide aminé peut modifier la
structure de la protéine et donc sa fonction.
Exemple de modification de séquences nucléotidiques par mutation :
La drépanocytose est une maladie génétique qui dépend de l'expression d'une version du gène de synthèse
d'une des chaînes de l'hémoglobine (protéine présente dans les globules rouges du sang et dont le rôle est de
transporter le dioxygène). La version mutée du gène entraîne la synthèse d'une chaîne différente de l'hémoglobine
et donc d'une protéine hémoglobine qui transporte mal le dioxygène, modification à l'origine de l'apparition sous
certaines conditions de la maladie.
Portions du gène d'une
chaîne de l'hémoglobine
Protéine synthétisée
Rôle de la protéine
Phénotype
TGAGGTCTCCTC
Hémoglobine normale
transporte le dioxygène
Individu sain
TGAGGTCACCTC
Hémoglobine anormale
transporte mal le dioxygène
Individu atteint de
drépanocytose
Mutation
Une mutation est événement spontané, naturel, aléatoire (agit sur n'importe quel nucléotide sans
préférence) qui modifie la séquence en nucléotides de l'ADN. Les mutations peuvent être à l'origine de l'apparition
de maladies génétiques (drépanocytose, myopathies, …..) mais sont aussi à l'origine, au cours de l'évolution des
espèces, de nouveaux allèles des gènes. Les mutations, en modifiant la séquence en nucléotides de l'ADN, sont à
l'origine des nombreuses variations d'un caractère héréditaire (ex : couleur des cheveux bruns, blonds, châtains,
…..). Ces variations de caractères au sein d'une espèce constitue la variabilité génétique, dont la source provient de
la variabilité de la molécule d'ADN.
Pour en savoir plus sur les agents mutagènes :
http://www.inrp.fr/Acces/biotic/genetic/mutation/html/mutagen.htm
La transgenèse montre que l'information génétique est contenue dans la molécule d'ADN
et qu'elle y est inscrite dans un langage universel. La variation génétique repose sur la
variabilité de la molécule d'ADN (mutation).
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Corrections des exercices du manuel :
Exercice 3 page 60 :
Raisonner avec l'aide pour la question 1 :
1- sur le doc.2 page 54, un segment de 10 paires de nucléotides mesure 12,5 cm.
2- La longueur réelle du segment de 10 paires de nucléotides est de 12,5 x 2,7.10 -10 m = 33,8.10-10 m, soit 34
angströms. La distance entre deux nucléotides successifs est donc de 33,8.10 -10/10 = 3,38.10-10 m, soit environ 3,4
angströms.
3- La longueur totale d'ADN dans une cellule humaine est donc de 3,4.10 -10 x 6,4.109 = 2,2 m. Il y a plus de 2 m
d'ADN dans une cellule humaine.
Raisonner avec l'aide pour la question 2 :
4- Sur le doc.1, le chromosome mesure environ 10,2 cm. Sa longueur réelle est donc de 10,2.10 -2/17 000 = 5,1.10-6 m
5- La longueur d'ADN qui constitue le chromosome X est donc de 154824264 x 3,4.10 -10 m = 5,3.10-2 m
Le taux T de compaction de l'ADN dans le chromosome X est donc T : 5,3.10 -2/5,1.10-6 = 10 392, soit environ 10 000
fois.
Exercice 4 page 61 : (Raisonner, traiter et exploiter des données)
1- Les deux versions du gène sont appelées allèles.
2- Les séquences des deux allèles sont très similaires. Sur une centaine de nucléotides visibles, on ne compte
qu'une seule différence (au niveau du nucléotide 662). Cette modification ponctuelle de la séquence est appelée une
mutation.
3- Les levures possédant l'allèle ade2+ ont une version fonctionnelle du gène ade2. La biosynthèse de l'adénine se
déroule normalement. Les colonies sont donc de couleur blanc-crème. Les levures possédant l'allèle ade2-, qui
diffèrent de l'allèle ade2+ par une mutation, ont une version non fonctionnelle du gène ade2. La biosynthèse de
l'adénine est donc interrompue. L'intermédiaire s'accumule, ce qui donne la coloration rouge aux colonies.
Exercice 5 page 61 : (Raisonner, mobiliser ses connaissances)
Après incorporation du gène gouvernant la synthèse de la soie chez l'araignée, les chenilles deviennent capables de
fabriquer de la soie d'araignée donc l'ADN du gène transféré porte une information génétique. De plus, deux êtres
vivants d'espèces différentes sont capables d'exprimer le même gène, donc le même fragment d'ADN, on en déduit
que la fonction de l'ADN est universelle.
Exercice 6 page 61 : (Raisonner, utiliser un langage scientifiquement correct à l'écrit)
1- Voir schéma sur le site internet du manuel
2- On note chez les porcelets transgéniques l'absence de protéine CFTR fonctionnelle dans la membrane plasmique,
donc le fragment d'ADN injecté chez les porcelets a rendu leur gène CFTR non fonctionnel en s'intégrant dans leur
génome. La manipulation de transgenèse s'est révélée efficace.
3- Les porcelets transgéniques présentent certains symptômes identiques (pancréas, vésicule biliaire) ou
proches(intestin) à ceux des nouveaux-nés atteints de mucoviscidose. Ces animaux sont donc de bons modèles pour
l'étude de la mucoviscidose chez l'Homme.
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