Télécharger le fichier - Fichier

1
Thème 1 – ChapiTre 1 1
Chapitre 1
Connaissances du programme Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
« En général la division cellulaire est une reproduction conforme qui
conserve toutes les caractéristiques du caryotype (nombre et morpholo-
gie des chromosomes) ».
• Effectuer un geste technique en observant au microscope des divisions
de cellules eucaryotes.
UNITÉ
La division cellulaire [pp. 18-19 du manuel de l’élève]
1
La reproduction conforme
de la cellule et la réplication de l’ADN
– Une tâche complexe, intégrant une manipulation et l’observation
d’un vidéogramme d’une mitose peut être envisagée pour identifier
et schématiser les étapes de la mitose.
Exploitation des documents par les activités
(Manipuler et expérimenter, extraire des informations à partir
d’observations et de documents, organiser ces informations, com-
muniquer par écrit).
Après analyse du doc. 2, il est possible de reconstituer l’enchaîne-
ment des phases de la mitose et de caractériser chacune d’elle :
la prophase, lors de laquelle les chromosomes doubles – à deux
chromatides – se condensent ; la métaphase, lors de laquelle les
chromosomes doubles condensés s’alignent à l’équateur de la
cellule ; l’anaphase, lors de laquelle les chromatides de chaque
chromosomes sont séparées et migrent chacune vers un pôle de la
cellule. Après la migration des chromatides sœurs vers les pôles de
la cellule, grâce aux cables de tubulines (doc. 3), la télophase est
la dernière étape de la mitose qui voit la division du cytoplasme
en deux cellules filles qui contiennent le même nombre de chro-
mosomes simples – à une seule chromatide –, identique à celui de
la cellule mère. Les chromosomes se décondensent alors progres-
sivement (doc. 2).
La mitose permet donc bien la conservation du nombre de chro-
mosomes dans une cellule (voir le schéma, p. 24 du manuel de
l’élève, à étendre à 3 paires de chromosomes).
Conseils et suggestions
– La division cellulaire, la variation d’état des chromosomes au
cours du cycle cellulaire et la variation de la quantité d’ADN au
cours du cycle cellulaire ont été développés en Troisième. Mais ces
notions ont été présentées avec un niveau d’explication élémen-
taire voire n’ont été l’objet que d’un simple constat. Ce premier cha-
pitre de Première S vise à en détailler l’explication. La conservation
du caryotype au cours de la mitose est un acquis du collège et, à
ce titre, fait l’objet d’un indispensable rappel préalable (voir p. 15).
– L’unité 1 a pour objet de rappeler le comportement des chro-
mosomes au cours de la division cellulaire. Le choix a été fait, ici,
d’entamer l’analyse par une manipulation qui conduit à l’observa-
tion microscopique de cellules de racines d’ail en division (doc. 1).
Cette manipulation peut être réalisée sur un autre matériel végétal
(méristème de racine de jacinthe, par exemple).
– Cette étude est l’occasion de fixer plus précisément le déroule-
ment de la mitose (condensation des chromosomes, séparation
des chromatides) en identifiant notamment les phases qui la
constituent (doc. 2).
– Si la présentation du mécanisme cellulaire de séparation des
chromatides (doc. 3) n’est pas indiquée par le programme, il appa-
raît intéressant de le mentionner sommairement pour mieux faire
comprendre le phénomène à l’œuvre au cours de l’anaphase.
– Cette unité est enfin l’occasion d’introduire le terme, nouveau
pour les élèves, de « mitose ».
. expression, stabilité et variation
du patrimoine génétique
thème 1
SVT 1reS © Éditions Belin 2011

2
UNITÉ
Thème 1 – ChapiTre 1
2
Conseils et suggestions
– Après avoir réinvesti et approfondi le déroulement de la mitose
dans l’unité 1, cette unité 2 vise à replacer ce phénomène dans
le contexte général du cycle cellulaire, dont on présente d’abord
les 4 phases (doc. 1). La présentation du cycle est indissociable de
l’étude de la variation de la quantité d’ADN cellulaire (doc. 2 et 3).
Elle est également un préalable important à l’étude de la variation
de l’état de condensation des chromosomes (doc. 4 et 5).
– La démonstration expérimentale de la copie de chaque chromo-
some au cours de la phase S est difficile. Le choix a donc été fait
d’observer, par l’utilisation de sondes spécifiques fluorescentes, le
nombre de copies d’un gène dans le noyau d’une cellule en phase
G1 et G2 (doc. 3).
– Cette unité prépare à l’étude détaillée de la réplication de l’ADN
qui sera l’objet de l’unité 3.
– Les différents documents proposés permettent donc de montrer
les états de condensation de l’ADN au cours du cycle à un niveau
adapté à la démonstration et aux exigences du programme (doc. 4
et 5). Il n’est pas nécessaire de détailler exhaustivement les diffé-
rents niveaux d’enroulement de l’ADN.
Exploitation des documents par les activités
➊ Doc. 1, 4 et 5 (Extraire des informations d’une photographie
et d’un schéma légendés). En phase G1, la quantité d’ADN est
mesurée à une valeur Q (doc. 2). On constate la présence de deux
copies d’un gène situé sur la paire de chromosome 22 (doc. 3),
soit une copie du gène par chromosome. On suppose donc que les
deux chromosomes d’une même paire ne sont constitués chacun
que d’une seule chromatide. En G1, le chromosome est en outre
décondensé (doc. 5).
En phase G2, on mesure une quantité d’ADN de 2Q, soit le double
de celle relevée lors de la phase G1 (doc. 2). On constate égale-
ment la présence de 4 copies du gène situé sur la paire de chro-
mosome 22, soit 2 copies par chromosomes. Comme le confirme le
doc. 5, les deux chromosomes d’une même paire sont donc chacun
constitués de 2 chromatides, dans un état toujours décondensé.
En phase M, au début de la mitose, la quantité d’ADN par cellule
est la même que celle mesurée en G2 (2Q). Les chromosomes
sont donc toujours constitués chacun de deux chromatides, mais
sont fortement condensés (doc. 4). À la fin de la mitose, en
revanche, la quantité d’ADN par cellule est brutalement divisée par
2 : ceci concorde avec la séparation des 2 chromatides de chaque
chromsome et leur migration vers chacun des 2 pôles de la cellule
(comme vu dans l’unité 1)
➋ Doc. 2 et 3 (Pratiquer une démarche scientifique : exploiter
des résultats expérimentaux). Le doublement de la quantité d’ADN
(doc. 2) ainsi que le doublement du nombre de copies du gène
situé sur la paire de chromosomes 22 (doc. 3) entre les phases G1
et G2 indiquent qu’une copie de l’ADN contenu dans le noyau est
réalisée lors de la phase S.
❸ Doc. 2 A 4 (Extraire et organiser des informations, raisonner
avec rigueur). On peut supposer que les chromosomes à deux chro-
matides qui caractérisent la phase G2 sont issus du doublement de
la quantité d’ADN en phase S. Comme les deux chromatides portent
la même information génétique (doc. 3), et que chaque chroma-
tide migre vers un pôle de la cellule lors de la mitose, l’information
génétique des cellules filles est nécessairement identique à celle
de la cellule mère.
➍ en conclusion (Communiquer dans un langage scientifique-
ment approprié).
Phase G1 : les chromosomes sont décondensés et simples (une
seule chromatide). Chaque chromosome contient donc une molé-
cule d’ADN.
Phase S : les chromosomes sont toujours décondensés mais la
quantité d’ADN est doublée. C’est au cours de cette phase du cycle
cellulaire que les chromosomes, chacun composé initialement
d’une chromatide, en viennent à être constitués de 2 chromatides
sœurs porteuses de la même information génétique.
Phase G2 : les chromosomes sont toujours décondensés, mais
doubles (à 2 chromatides). Chaque chromosome est donc composé
de deux chromatidesn donc de 2 molécules d’ADN.
Phase M : les chromosomes sont constitués de 2 chromatides et se
condensent. À la fin de la phase M, les 2 chromatides de chaque
chromosome sont séparées et migrent chacune vers un pôle de
la cellule, qui constituera la future cellule fille. Les chromosomes
simples contenus dans chacune des cellules filles commencent
ensuite à se décondenser.
Connaissances du programme Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
« Chaque chromatide contient une molécule d’ADN.
Les chromosomes sont des structures constantes des cellules eucaryotes
qui sont dans des états de condensation variables au cours du cycle cellu-
laire »
• Recenser, extraire et exploiter des informations permettant de caractéri-
ser le cycle cellulaire et ses phases, dans différents types cellulaires.
Le cycle cellulaire [pp. 20-21 du manuel de l’élève]
SVT 1reS © Éditions Belin 2011

UNITÉ
Thème 1 – ChapiTre 1 3
fragments synthétisés pendant la réplication. Il s’agit du modèle
dispersif.
❷ Doc. 2 (Manifester sens de l’observation et esprit critique). Les
bandes observées après centrifugation correspondent à de l’ADN
lourd (dont les deux brins ont incorporé de l’azote lourd), de l’ADN
léger (dont aucun des deux brins n’a incorporé d’azote lourd) ou de
l’ADN intermédiaire (dont un seul des deux brins a incorporé de
l’ADN lourd).
❸ Doc. 1 et 2 (Formuler une hypothèse, pratiquer une démarche
scientifique). Au début de l’expérience, la centrifugation de l’ADN
révèle que chaque molécule d’ADN des cellules étudiées présente
de l’azote lourd dans ses deux brins. Après un cycle cellulaire sur
de l’azote léger (14N), on observe une seule bande d’ADN inter-
médiaire. Ce résultat élimine l’hypothèse du modèle conservatif,
qui aurait dû produire deux bandes, l’une d’ADN lourd (molécule
parentale), l’autre d’ADN léger (molécule synthétisée pendant le
cycle cellulaire écoulé).
Après deux cycles cellulaires sur de l’azote léger, on observe deux
bandes d’ADN en quantités équivalentes, l’une d’ADN léger, et
l’autre d’ADN intermédiaire. Ce résultat élimine l’hypothèse du
Conseils et suggestions
– Après la mise en évidence de la copie de l’ADN au cours de la
phase S (unité 2), l’unité 3 vise à démontrer les modalités de cette
copie ainsi que ses mécanismes moléculaires simples.
– La première partie de cette unité s’inscrit très naturellement dans
une démarche historique, conseillée par le programme. Il convient
donc de replacer les mécanismes recherchés dans le foisonnement
de questions et de travaux en biologie moléculaire des années
1950. L’hypothèse d’une réplication semi conservative avait été
émise dès 1953 par Watson et Crick au moment de la découverte
de la structure de l’ADN. Il a fallu attendre les expériences de
Taylor en 1957 et celles, décisives, de Meselson et Stahl en 1958
pour valider ces hypothèses. Nous avons choisi ici de développer
les expériences très démonstratives de Meselson et Stahl (doc. 1
et 2) mais les expériences de Taylor peuvent être utilisées comme
support pour un exercice d’application ou une évaluation.
– Une fois le caractère semi-conservatif de la réplication de l’ADN
démontré, la page de droite aborde les mécanismes moléculaires
de la réplication. À l’élève d’observer l’organisation des fourches de
réplication (doc. 3) et de comprendre le rôle de l’ADN polymérase
(doc. 4 et 5) au niveau nécessairement simple attendu par le
programme.
– Les différents documents conduisent les élèves à construire un
modèle de fourche de réplication incluant le détail des nucléotides
des brins parentaux et néosynthétisés.
– La compréhension des mécanismes moléculaires de la réplication
peut être réinvestie dans l’étude de la PCR proposée par le pro-
gramme dans les pistes (voir chapitre 2, unité 1, p. 33).
Exploitation des documents par les activités
❶ Doc. 1 (Raisonner avec rigueur). Dans le modèle (a), après
réplication de l’ADN, on observe, pour les deux molécules, un brin
parental et un brin synthétisé pendant la réplication. Il s’agit du
modèle semi-conservatif.
Dans le modèle (b), après réplication de l’ADN, on observe qu’une
molécule d’ADN est constituée de deux brins parentaux et que
l’autre molécule est constituée de deux brins synthétisés pendant
la réplication. Il s’agit du modèle conservatif.
Dans le modèle (c), après réplication de l’ADN, on observe pour
les deux molécules un mélange des fragments parentaux et de
Connaissances du programme Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
« Au cours de la phase S, l’ADN subit la réplication semi-conservative.
En absence d’erreur, ce phénomène préserve, par copie conforme, la
séquence des nucléotides.
Ainsi, les deux cellules-filles provenant par mitose d’une cellule-mère pos-
sèdent la même information génétique. »
• Mettre en œuvre une méthode (démarche historique) et/ou une utili-
sation de logiciels et/ou une pratique documentaire permettant de com-
prendre le mécanisme de réplication semi-conservative
La réplication du matériel génétique [pp. 22-23 du manuel de l’élève]
3
Après 1 réplication
LDP_A1u3 90 x 90
a
Après 2 réplications
b
c
SVT 1reS © Éditions Belin 2011

Conseils et suggestions
– La page d’ouverture du chapitre (p. 31) peut permettre de
revenir sur le codage de l’information génétique par la séquence
de la molécule d’ADN et sur le fait qu’une modification de cette
séquence (mutation) peut entrainer une modification héréditaire
des caractères de l’individu (ici, la couleur du pelage).
– Cette unité vise à montrer que des modifications de l’ADN peu-
vent apparaître spontanément (doc. 1 à 3), à différents moments
du cycle cellulaire (doc. 4 et 5). Un modèle expérimental simple
est utilisé : une culture de levures (doc. 1).
– La réalisation de cultures de levures (doc. 1) est l’occasion d’insis-
ter sur les bonnes pratiques de laboratoire, notamment l’emploi de
matériel stérile et le traitement adéquat des déchets. La souche de
levures ade2 et les milieux de culture sont disponibles auprès des
fournisseurs habituels des laboratoires de lycée. La mise en culture
en milieu liquide est réalisée au laboratoire avant la séance de
TP. Les élèves peuvent étaler une fraction de cette suspension sur
milieu solide et observer le résultat après quelques jours. Le repi-
quage des éventuels mutants blancs obtenus peut enfin être réalisé
par le professeur devant les élèves, et le résultat observé quelques
jours plus tard. Remarque importante : étant donné le nombre de
boîtes nécessaires pour obtenir au moins un mutant blanc, il est
peu probable que le résultat soit probant en ne travaillant qu’à
l’échelle d’une classe. Le TP mis en œuvre dans l’unité 2 étant
beaucoup plus facile à réaliser en classe et donnant des résultats
plus significatifs, il peut être privilégié.
– Dans l’optique de l’évaluation des capacités expérimentales,
les élèves peuvent utiliser le logiciel Anagène pour retrouver les
informations du doc. 2. (voir la fiche pédagogique disponible sur
www.libtheque.fr)
– Cette unité peut être l’occasion de comparer les différents taux de
mutations calculés chez différentes espèces (doc. 3) et dans des
milieux acellulaires (doc. 4) et de rechercher des hypothèses expli-
quant ces différences. On peut également évoquer les différences
de taux d’erreurs en fonction du type de polymérase utilisée lors
des réactions de PCR.
– L’exercice 4, p. 44 offre un prolongement de cette unité en
présentant un exemple d’altération spontanée d’une base de l’ADN
pouvant conduire à une mutation. Grâce à l’utilisation du logiciel
Rastop, les élèves peuvent retrouver les informations apportées
par le document et s’entraîner à la manipulation du logiciel en vue
de l’évaluation des capacités expérimentales (voir la fiche péda-
gogique disponible sur www.libtheque.fr).
Connaissances du programme Capacités et attitudes de mises en œuvre dans l’unité
« Pendant la réplication de l’ADN surviennent des erreurs spontanées et
rares. L’ADN peut aussi être endommagé en dehors de la réplication. »
• Concevoir et réaliser un protocole.
• Utiliser des logiciels pour caractériser des mutations.
UNITÉ
Les mutations, des modifications de l’ADN [pp. 32-33 du manuel de l’élève]
1
À l’origine de la variabilité
génétique : les mutations
Chapitre 2
Thème 1 – ChapiTre 2
4
modèle dispersif qui aurait toujours dû produire une seule bande
d’ADN intermédiaire (dont toutes les molécules devaient être com-
posées à la fois d’ADN parental lourd et d’ADN synthétisé léger).
Après trois cycles cellulaires sur de l’azote léger, on observe deux
bandes d’ADN, l’une contenant de l’ADN léger en quantité 3 fois
plus importante que l’autre, qui contient de l’ADN lourd. Ce résultat
est seulement compatible avec le modèle d’une réplication semi-
conservative.
➍ Doc 3 à 5 (Communiquer à l’aide d’un schéma).
Voir schéma au bas de la p. 25 du manuel de l’élève.
➎ en conclusion (Communiquer dans un langage scientifique
approprié). Pendant la phase S du cycle cellulaire, un complexe de
réplication ouvre la double hélice d’ADN puis synthétise un nou-
veau brin à partir du brin matrice. Cette synthèse est assurée par
l’assemblage de nucléotides selon une séquence complémentaire
du brin matrice, assemblage réalisé par l’ADN polymérase.
Cette modalité semi-conservative de la réplication produit ainsi des
chromosomes à deux chromatides sœurs portant une information
génétique identique.
SVT 1reS © Éditions Belin 2011

Les variations de la fréquence des mutations [pp. 34-35 du manuel de l’élève]
2
UNITÉ
Connaissances du programme Capacités et attitudes mises en œuvre dans l’unité
« Pendant la réplication de l’ADN surviennent des erreurs spontanées et
rares, dont la fréquence est augmentée par l’action d’agents mutagènes.
Pistes. Quantification de la mutation dans une population cellulaire
(mathématiques) ; les agents mutagènes dans l’environnement (phy-
sique-chimie). »
• Recenser, exploiter et interpréter des bases de données et/ou concevoir
et réaliser un protocole pour :
– mettre en évidence l’influence d’agents mutagènes sur des populations
humaines (UV) ;
– analyser l’influence de l’irradiation d’une culture de levures par des UV
(suivi du taux de mortalité).
• Utiliser des logiciels pour caractériser des mutations.
Thème 1 – ChapiTre 2 5
Conseils et suggestions
– Dans l’unité précédente, on a montré que les mutations peuvent
apparaître de manière spontanée et on a calculé leur fréquence
d’apparition, très faible. Dans cette unité 2, on mettra en évidence
l’existence d’agents mutagènes qui augmentent la fréquence d’ap-
parition des mutations et ont donc des effets néfastes sur la santé
humaine.
– L’expérimentation du doc. 1 reprend les compétences techniques
mises en oeuvre dans le doc. 1 p. 32 de l’unité précédente, ce
qui permet aux élèves de se concentrer sur les aspects métho-
dologiques (témoin, étalement du même nombre de cellules sur
chaque boîte, reproductibilité du résultat, etc.). Le port de protec-
tion anti-UV est à mettre en lien avec les doc. 3 à 5 et l’effet can-
cérigène des UV pour l’Homme. Les levures de souche ade2 ainsi
Exploitation des documents par les activités
(Réaliser une culture de levures, utiliser un logiciel, extraire des
informations à partir d’observations et de documents, organiser
ces informations, communiquer par écrit).
Le doc. 1 présente une expérience réalisée à partir d’une culture de
levures. Les colonies rouges de départ sont constituées de levures
ade2-, qui portent l’allèle ade2– du gène ade2. Leur couleur rouge
est due à l’accumulation et à l’oxydation du composé AIR. Après de
très nombreuses divisions successives de ces levures, on observe
l’apparition de colonies blanches, qui n’accumulent donc pas d’AIR
oxydé. Ceci peut être dû au fait que :
– l’allèle du gène ade2 qu’il possède est à nouveau fonctionnel : il y
donc eu une mutation en position 662 de G vers T (doc. 2) ;
– une mutation est apparue, rendant non fonctionnel un gène inter-
venant en amont dans le processus de synthèse de l’adénine (l’AIR
n’est alors plus synthétisé, donc plus accumulé) ;
– une mutation est apparue, rendant non fonctionnel un gène qui
permet l’oxydation d’AIR (ainsi l’AIR n’est plus oxydé en pigment
rouge).
Ces colonies blanches sont très rares : 3 pour 100 Í 200 colonies, soit
0,015 % des colonies.
Ces colonies blanches sont apparues spontanément, sans appli-
cation d’aucun agent exogène, uniquement suite aux divisions
successives des levures en culture.
Le doc. 3 est un tableau résumant le taux de mutations spontanées
chez différentes espèces. On peut calculer le nombre de nucléotides
devant être répliqués pour observer une mutation :
– Chez E. coli : 4,6.106Í435 = 2.109
– Chez N. crassa : 4,2.107Í333 = 1,4.1010
– Chez la levure : 1,4.107Í370 = 5,2.109
Les mutations spontanées sont donc des phénomènes extrême-
ment rares.
Dans l’expérience présentée sur le doc. 4 on effectue une une suite
de réplications en chaîne d’un fragment d’ADN – ou PCR –, dans un
milieu acellulaire, grâce notamment à une ADN polymérase. À l’is-
sue de la réaction de PCR, on observe qu’une très grande majorité
des fragments d’ADN a une séquence identique au fragment initial :
la réplication s’est donc bien effectuée de manière conforme. Mais
on observe également :
– un fragment présentant un A au lieu d’un T en 18e position, en 1
exemplaire. La polymérase a donc introduit un mauvais nucléotide
lors de l’avant dernier cycle de PCR soit lors du 15e cycle.
– un fragment présentant un C au lieu d’un T en 8e position, en 4
exemplaires. Il y a donc eu une erreur de réplication 3 cycles avant
la fin de la PCR, soit lors du 12e cycle.
Ce document nous indique donc que, lors de la réplication de l’ADN,
la polymérase peut faire des erreurs et introduire des nucléotides
erronés, conduisant à des mutations.
De plus, à tout moment du cycle cellulaire, des altérations
chimiques de la molécule d’ADN peuvent avoir lieu, conduisant
à des modifications de la séquence lors de la réplication suivante
(doc. 5).
Pour conclure, les mutations sont donc des modifications de la
séquence d’ADN (doc. 2), pouvant apparaître de manière sponta-
née (doc. 1) à une fréquence très faible (doc. 1 et doc. 3). Elles
ont pour origine des modifications chimiques de l’ADN en dehors
de la réplication (doc. 5) ou des erreurs des ADN polymérases lors
de la réplication (doc. 4).
SVT 1reS © Éditions Belin 2011