La nature chimique de l’information génétique
Pour la détermination de la nature chimique de l’information génétique, On propose d’étudier les données expérimentales suivantes:
1 / Les expériences de Griffith :
En 1928, Fred Griffith, microbiologiste anglais, a travaillé sur deux souches de pneumocoques afin de trouver un vaccin contre la pneumonie. Une des souches utilisée par Griffith, donne en culture sur boîte gélosée des colonies d’aspect lisse (colonie de type S : Smooth en anglais). Cette bactérie possède une capsule. L’autre souche donne des colonies d’aspect rugueux (colonie de type R : Rough en anglais). Cette bactérie est sans capsule.
1 – Interpréter les expériences de Griffith.
1 – Dans les deux premières expériences, on peut voir que la bactérie S tue la souris, elle est pathogène (mortelle), alors que la bactérie R n’est pas pathogène. Dans l’expérience 3, on remarque que si l’on tue les bactéries S et qu’on les injecte après, la souris survis. L’expérience 4 montre que les bactéries R (non pathogènes), mélangées aux bactéries S mortes, acquièrent un caractère pathogène qu’elles ne possédaient pas auparavant. Il y a eu donc transfert d’une substance chimique entre les bactéries R vivantes et les bactéries S mortes, qui confère aux bactéries R de nouvelles propriétés génétiques d’où la formation de la capsule et leur transformation en bactéries S.
Griffith l’appela le facteur transformant
2 / L’expérience de Oswald Avery, Colin MacLeod et Maclyn McCarty: ( 1944 )
Ils ont repris l’expérience de Griffith avec une légère variante. Les bactéries S mortes étaient broyées (on les brise en morceaux en les passant au blender) et traitées avec une enzyme digestive avant de les mélanger aux R vivantes.
1 – En exploitant cette expérience , déduire la nature du facteur transformant.
1 – Lorsqu’on utilise des enzymes qui dégradent les protéines ou l’ARN, les bactéries R se transforment en S. Alors que la dégradation de l’ADN bloque cette transformation.
L’expérience montre que la transformation de la bactérie R est due à l’intégration, dans sa cellule, d’un fragment d’ADN provenant de la bactérie S. Le facteur transformant est donc un ADN.
3 / L’expérience d’Alfred HERSHEY et Martha CHASE: Voir l’animation Flash
L’expérience utilise des bactériophages T2; des virus qui se reproduisent dans une bactérie: Escherichia coli.
Ils ont marqué l’ADN d’une série de phages T2 avec un traceur radioactif : le phosphore 32 (32P) et les protéines de la capside d’une autre série de phages T2 avec un autre traceur radioactif : le soufre 35 (35S).
Après un certain temps de contact, ils ont déterminé la localisation des différentes parties du phage (capside et ADN) au niveau d’E.coli. Les résultats obtenus ont été les suivants :
- La radioactivité liée au 35S est localisée à l’extérieur d’E.coli (figure a)
- La radioactivité due au 32P est localisée à l’intérieur d’E.coli (figure b)
1 – Que peut-on déduire de ces expériences?
1 -La capside protéique reste à l’extérieur de la bactérie tandis que l’ADN pénètre dans la bactérie; l’information génétique est portée par l’ADN qui se retrouve seul à l’intérieur de la bactérie. En effet, la fabrication des nouveaux virions s’effectue à l’intérieur de la bactérie et nécessite obligatoirement un support de l’information génétique pour qu’il y ait réplication de l’information génétique.
3 / La relation chromosome-ADN:
Chaque chromosome contient un nucléofilament formé d’une molécule d’ADN associée à des protéines. Certaines d’entre elles, les histones, sont assemblées en un complexe autour duquel s’enroule l’ADN, appelé nucléosome. La structure adoptée par l’ensemble ressemble à un collier de perles (les nucléosomes) assez régulièrement espacées le long du filament d’ADN.
3 – 1 – Le caryotype et la formule chromosomique:
La réalisation du caryotype se réalise à partir de toute cellule capable de se diviser en culture. La technique consiste en :
- Un blocage des divisions en métaphase (stade de la mitose où les chromosomes sont condensés au maximum et positionnés dans le plan équatorial de la cellule) par de la colchicine ; les chromosomes bien distincts peuvent alors être observés.
- Un choc hypotonique : la cellule, placée dans un milieu extérieur plus dilué que le contenu cytoplasmique, éclate, et les chromosomes métaphasiques se dispersent et s’étalent.
- Une coloration des chromosomes.
- Une photographie au microscope des chromosomes de la cellule, puis un découpage et un classement de tous les chromosomes après agrandissement des clichés, en fonction de leur taille, de leur forme, de la position de leur centromère, de la place des bandes sombres qu’ils portent.
Le document suivant représente le caryotype de la drosophile femelle(gauche) et mâle(droite).
1 – Comparer le caryotype du mâle et de la femelle, et déduire la formule chromosomique de chacun.
1- Le caryotype de la drosophile comporte 8 chromosomes, organisés en 4 paires, c’est une espèces diploïde (2n). On distingue 3 paires de chromosomes deux à deux identiques chez les deux sexe, appelés autosomes (A), et une paire de gonosomes, ou chromosomes sexuels, présentant des caractéristiques différentes selon le sexe: ils sont notés XX chez la femelle et XY chez le mâle. Donc la formule chromosomique:
- Chez le mâle est : 2n= 3AA+ XY = 8
- Chez la femelle est : 2n= 3AA+ XX = 8
Le tableau suivant montre la formule chromosomique de certaines espèces; diploïde et haploïde
3 – 2 – La structure et la composition chimique de l’ADN :
a/ La composition chimique de l’ADN:
L’hydrolyse totale de l’acide désoxyribonucléique (ou ADN) donne les éléments indiqués sur le document suivant :
A et G sont des purines, C et T sont des pyrimidines.
Le désoxyribose est un sucre a 5 atomes de carbone.
1 – Dégager du document les constituants de l’ADN.
1- L’ADN est constitué de 3 éléments qui sont:
- un groupe phosphate
- un sucre, le désoxyribose
- 4 bases azotées, Adénine « A » , Guanine « G » , Cytosine « C » et Thymine « T« .
L’association de chaque base avec une molécule de sucre constitue un nucléoside, et l’ajout d’un groupe phosphate donne un nucléotide monophosphate
b/ La structure de l’ADN:
– L’expérience de Chargaff:
En 1949, Erwin Chargaff mesure les proportions des différents nucléotides sur des extraits d’ADN prélevés chez différentes espèces. Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus, exprimés en %. En prenant en compte toutes les espèces citées,
1 – Calculer le rapport A/T et C/G chez toutes les espèces.
2 – En exploitant les résultats obtenus, déduire la relation qui relie les nucléotides.
1- La levure : A/T = 0,9749 et C/G= 0,9679
Le blé : A/T = 1,0036 et C/G = 1,0044
La poule : A/T = 0,9795 et C/G = 1,0190
L’Homme : A/T = 1,0510 et C/G = 0,9949
2 – On constate que le calcul des rapports entre les bases azotées A et T et entre C et G montre une valeur proche de 1. D’après les valeurs obtenues on peut déduire qu’il y a autant de bases A que de bases T et autant de bases C que de bases G. Les résultats prouvent donc que les nucléotides sont bien complémentaires deux à deux: A et T puis C et G . l’ADN est une molécule constituée de deux brins ( bicaténaire) formant des paires de nucléotides : il y a toujours un A en face d’un T et un C en face d’un G
Exemple :
A C G T A T G C C C A T A C G C G C G C G
T G C A T A C G G G T A T G C G C G C G C
– Les travaux de Rosalind Franklin sur l’ADN:
- Principe : Rosalind Franklin dirigeait des rayons X sur un extrait de thymus (organe appartenant au système immunitaire) de veau qui contenait des millions de brins d’ADN sous sa forme hydratée c’est-à-dire telle qu’on les trouve dans les cellules
- Résultat : les clichés de diffraction aux rayons X de l’ADN montrent une figure en croix caractéristique des structures en double hélice (deux brins de forme hélicoïdale qui s’enroulent l’un dans l’autre).
– Les travaux de James Watson et Francis Crick:
En 1953, James Watson et Francis Crick (Nobel 1962) utilisent la règle de Chargaff et les résultats des observations de Rosalind Franklin pour conclure :
- L’existence de deux brins dans la molécule d’ADN ;
- Leur association en une forme d’hélice ;
- Une association anti-parallèle de ces deux chaînes.
Watson et Crick ont pu réaliser un modèle moléculaire tridimensionnel de la molécule d’ADN: La double hélice
Les bases azotées sont associées deux à deux par leurs liaisons hydrogènes :
- Deux liaisons hydrogènes entre l’adénine et la thymine.
Trois liaisons hydrogènes entre la guanine et la cytosine.
Les deux brins sont orientés de manière opposée par rapport aux extrémités 3′ et 5′ ( les brins sont dits antiparallèles ).
c/ La variation de la quantité d’ADN au cours du cycle cellulaire:
Le graphique suivant représente la variation de la quantité d’ADN dans une cellule (en unité arbitraire) au cours du temps
1 – Décrire l’évolution de la quantité d’ADN au cours d’un cycle cellulaire.
2 – Que peut on déduire?
1- Le graphique montre que l’interphase peut être divisée en 3 parties : la phase G1, la phase S et la phase G2. Lors de la phase G1 la quantité d’ADN reste constante en Q, par ailleurs lors de la phase S, cette quantité double : elle passe de Q à 2Q UA, puis reste stable pendant la phase G2 en 2Q. Durant la mitose la quantité d’ADN passe de 2Q à Q.
2 – On peut en déduire qu’ avant la mitose, la cellule synthétise l’ADN lors de la phase S (synthèse) de l’interphase. On parle de la réplication de l’ADN.
Comment se fait cette réplication d’ADN?
3 – 3 – La réplication de l’ADN:
Pour comprendre les modalités de réplication de la molécule d’ADN on propose les données expérimentales suivantes:
a/ L‘expériences de Meselson et Stahl (1958):
En 1958, Meselson et Stahl cherchent à comprendre comment s’effectue cette copie conforme de l’ADN. Leurs expériences sont réalisées sur la bactérie Escherichia Coli qui se multiplie activement quand elle est cultivée sur un milieu favorable et réplique alors intensément son ADN. Les bactéries sont cultivées dans deux milieux différents : l’un contient des nucléotides « légers » intégrant de l’azote « léger » 14N, l’autre des nucléotides « lourds » intégrant l’isotope « lourd » 15N de l’azote. Des bactéries d’abord cultivées depuis de nombreuses générations sur un milieu contenant des « nucléotides 15N », sont prélevées et transférées sur un milieu normal, à « nucléotides 14N ». A chaque étape, l’ADN de bactéries en culture est extrait et centrifugé à grande vitesse dans un tube contenant une solution de densité appropriée. Après centrifugation, l’ADN se stabilise ainsi à un niveau correspondant à sa densité.
1 – Interpréter cette expérience.
2 – Représenter sous forme d’un schéma les mécanismes qui interviennent au niveau de l’ADN lors des divisions cellulaires affectant trois générations
1- Après la 1ère division (donc première réplication de l’ADN), il n’y a que de l’ADN hybride (contenant 14N et 15N). Ensuite, après la deuxième réplication, il y a 50 % d’ADN hybride et 50 % d’ADN léger (contenant 14N).Apres la troisième réplication, il y a 25 % d’ADN hybride et 75 % d’ADN léger. La molécule d’ADN donne ainsi naissance à deux molécules d’ADN-filles constituées d’un brin « nouveau » et d’un brin « ancien ». Et comme la moitié de la molécule initiale est conservée, le mécanisme de réplication de l’ADN est dit semi-conservatif.
2 – Schéma illustrant le mécanisme de la réplication semi-conservative
b/ Mécanisme de la réplication:
Pour mettre en évidence les mécanismes de la réplication d’ADN, on propose les documents suivants:
Document 1: Une observation au microscope électronique de la molécule d’ADN en cours de réplication. les flèches indiquent les yeux de réplication où la molécule d’ADN est dédoublée
Document 2: Schéma de l’activation de la réplication
Document 3: Schéma présentant la réplication d’ADN,
1 – En exploitant les documents 1,2 et 3, décrire le mécanisme de la réplication de l’ADN.
2 – Réaliser un schéma illustrant la réplication d’ADN en utilisant la séquence suivante:
1- Document 1 et 2: La réplication débute en plusieurs points précis de la molécule d’ADN ce qui entraîne la formation d’yeux de réplication encadrés par deux fourches de réplication (figures en forme de Y). Les yeux de réplication progressent dans les deux sens jusqu’à ce que les fourches de réplication se rencontrent. Les deux molécules filles ne restent alors solidaires que par le centromère et on obtient un chromosome bichromatidien.
Document 3: la molécule d’ADN parentale s’ouvre par rupture des liaisons faibles entre les deux brins complémentaires grâce l’enzyme Hélicase. Chaque brin parental (brin matrice) gouverne alors la synthèse d’un brin complémentaire (brin néoformé) grâce l’ADN-polymérase qui permet la polymérisation des nucléotides dispersés dans le noyau.
À l’issue de la réplication, chacune des deux molécules filles d’ADN est donc constituée d’un brin parental et d’un brin néoformé. On qualifie ce processus de semi-conservateur. Ainsi, chaque nouvelle molécule possède la même séquence que la molécule d’ADN parentale. Vue que l’ADN-polymérase synthétise l’ADN dans le sens 5′ –> 3′, la réplication sera différente selon le sens du brin matrice :
- Une synthèse continue pour le brin matrice orienté dans le sens 3′ –> 5′
- Une synthèse discontinue pour le brin matrice orienté dans le sens 5′ –> 3
Les molécules d’ADN en cours de réplication peuvent être observées au microscope électronique : il est alors possible de voir des zones appelées « yeux de réplication» où la molécule d’ADN est dédoublée.
- Chaque œil comporte en fait deux « fourches de réplication », figures en forme de Y, où une ADN-polymérase effectue la réplication.
- Ces fourches progressent en sens inverse, assurant la réplication de l’ensemble de, la molécule d’ADN.
- Les deux « copies » restent néanmoins solidaires au niveau d’une zone qui forme le centromère du chromosome.
- L’information génétique est contenue dans l’ADN, qui est une molécule constituée de nucléotides ( A, T, C, G).
- La molécule d’ADN s’associée à des protéines pour former le chromosome.
- L’ensemble des chromosomes d’un individu classés selon leur taille, forme, position du centromère et la place des bandes sombres qu’ils portent, forme le caryotype.
- Avant la mitose, la cellule synthétise l’ADN lors de la phase S de l’interphase. On parle de la réplication de l’ADN.