Archives de catégorie : 1A Transmission, expression et variabilité du patrimoine génétique

1SVT-1A3 III. La traduction : de l’ARNm à la protéine

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A.  Le code génétique

La séquence des nucléotides de l’ARNm gouverne la séquence des acides aminés dans la protéine selon un système de correspondance : le CODE GÉNÉTIQUE. Un triplet (ou codon) de nucléotides (= groupe de 3 nucléotides) code un acide aminé (sauf les codons-stop : voir IIIB.). Le code génétique possède 3 propriétés, il est :

  • UNIVOQUE (non ambigu) : à chaque codon de nucléotides correspond un seul acide aminé. (ex: UCU code uniquement la sérine)
  • REDONDANT = DÉGÉNÉRÉ : comme 64 codons de nucléotides codent 20 acides aminés, plusieurs codons correspondent à un même acide aminé. (ex: UCU, UCC, UCA et UCG codent tous les 4 la sérine)
  • UNIVERSEL : c’est le même pour presque tous les êtres vivants.

Une animation pour apprendre à utiliser le code génétique: http://svt.pages.ac-besancon.fr/codegenetique/. Cliquer sur les nucléotides d’un codon successivement et lire le résultat.

B.  La synthèse d’une protéine à partir de l’ARNm

La synthèse d’une protéine à partir de l’ARNm est la TRADUCTION. Elle est réalisée par les RIBOSOMES, des petits éléments granuleux présents dans le cytoplasme; les ribosomes se lient à l’ARNm au niveau du codon d’initiationAUG(initiation) puis progressent le long de l’ARNm en associant un acide aminé à chaque codon selon le code génétique et en le liant au reste de la chaine d’acides aminés(élongation). Au niveau du codon-stop, aucun acide aminé n’est ajouté, et la chaine d’acides aminés est libérée dans le cytoplasme, et le ribosome se détache de l’ARNm, ce qui termine la traduction(terminaison).La chaine d’acides aminés se replie ensuite pour former une protéine dans le cytoplasme.

Plusieurs ribosomes traduisent en même temps un même ARNm (polysome) : c’est l’amplification.

Un brin d’ARNm traduit par plusieurs ribosomes en même temps (MET)

Schéma des étapes de la traduction

Une vidéo sur les étapes de la traduction. Tout ce qui n’a pas été abordé en cours est hors programme (ARN de transfert des ribosomes, sous-unités, sites A et P de la grosse sous-unité).

1SVT-1A3 II. Du noyau au cytoplasme : la transcription

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A.          De l’ADN à l’ARNpm = pré-ARNm

L’ARN (Acide RiboNucléique) est une molécule synthétisée dans le noyau et qui est aussi présente dans le cytoplasme. C’est un acide nucléique à un seul brin linéaire (=non ramifié). Il est constitué d’une succession relativement courte de ribonucléotidesqui contiennent chacun un groupement phosphate, un sucre appelé ribose, lié à une base azotée A, C, G identique à l’ADN, sauf la thymine qui est remplacée par l’uracile U.

L’ARNm ou ARN messager transporte le message génétique d’un gène de l’ADN du noyau vers le cytoplasme. Il est synthétisé sous forme d’ARNpm, ou pré-ARNm, ou ARN prémessager qui subit ensuite une maturation pour devenir l’ARNm.

Remarque 1 : Il existe d’autres types d’ARN selon leur rôle dans la cellule : l’ARNt (de transfert), l’ARNr (ribosomique),…

Remarque 2 : comparer la taille en bases (b) et le nombre de gènes d’une molécule d’ADN (5kb à 100 Mb – environ 1000 gènes par chromosomes) et d’ARN (100 b – un seul gène)

Comparaison de la structure de la molécule d’ADN et d’ARN avec le logiciel Rastop

B.          La synthèse de l’ARN

Une molécule d’ARN (ARNpm = pré-ARNm pour l’ARNm) est synthétisée à partir de l’ADN au cours de la TRANSCRIPTION. La transcription commence au début d’un gène par la liaison de l’ARN polymérase à l’un des 2 brins de l’ADN, appelé BRIN TRANSCRIT(initiation). Puis l’ARN polymérase progresse le long du brin transcrit de l’ADN en ajoutant au brin d’ARN les nucléotides complémentaires du brin transcrit(A->U, C<->G, T->A), ce qui synthétise le brin d’ARN (élongation). La séquence de l’ARN est donc identique (sauf la T de l’ADN qui est remplacée par l’U dans l’ARN) au brin non transcrit de l’ADN, appelé pour cette raison BRIN CODANT.Enfin elle se détache de l’ADN (terminaison) à la fin du gène. Un même gène est transcrit par plusieurs ARN polymérases en même temps (amplification).

Chez les eucaryotes, cette transcription a lieu dans le noyau. Les ARNpm subissent parfois une maturation pour devenir des ARNm.

Localisation de l’ARN dans une cellule par autoradiographie en 2 étapes: l’ARNm est synthétisé dans le noyau (photo a) puis passe dans le cytoplasme où il est traduit (photo b).

Un chromosome avec plusieurs gènes transcrits en même temps. L’initiation est au niveau des brins d’ARN les plus courts, et la terminaison au niveau des ARN les plus longs. De nombreux ARN sont synthétisés en même temps pour un même gène. 

Schéma de la transcription

La notion de promoteur est hors programme. L’ARN polymérase n’agit pas seule mais avec d’autres enzymes.

C.          La maturation et la sortie de l’ARN

Après sa synthèse, l’ARNpm (ou pré-ARNm) se détache de l’ADN et subit une MATURATION dans le noyau des cellules eucaryotes, notamment l’épissage :

  • les introns sont excisés (= éliminés) et restent donc dans le noyau
  • les exons sont reliés entre eux et forment l’ARNm (messager) : ils sortiront du noyau.

L’épissage alternatif (les exons différent selon les cellules) concerne au moins 60% de nos gènes. Il permet de produire plusieurs protéines à partir d’un même gène (par exemple selon les types cellulaires), ce qui remet en cause le concept un gène -> une protéine.

Une queue et une coiffe sont ajoutées, ce qui forme l’ARNm (= « ARNpm mature », prêt à sortir du noyau).

Mise en évidence des introns au MET par hybridation de l’ARNm et de l’ADN 

L’épissage constitutif: les introns sont éliminés dans le noyau, les exons sont assemblés pour former l’ARNm

L’épissage alternatif: les exons ne sont pas les mêmes selon les cellules, ce qui permet à un même gène de coder des protéines différentes selon les cellules

Enfin, l’ARNm est exporté du noyau par les pores nucléaires de l’enveloppe nucléaire vers le cytoplasme où a lieu la synthèse des protéines.

Pores nucléaires (Pn) vus au MEB (à gauche) et au MET (à droite) permettant la sortie de l’ARNm du noyau dans le cytoplasme

1SVT-1A3 I. Des gènes aux protéines

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A.               La structure de l’ADN et des protéines

La séquence de l’ADN, est la succession des quatre désoxyribonucléotides (Adénine, cytosine, guanine, thymine) le long des brins de la molécule d’ADN. Elle est une information : en effet, une mutation (=modification de la séquence des nucléotides) peut se traduire par une modification d’un ou plusieurs caractères héréditaires si elle touche la partie codante de l’ADN (1 à 3% chez l’humain). Cette information génétique est transmise de générations en générations, d’une cellule à l’autre par mitose et d’un organisme à un autre lors de la reproduction.

Les caractères d’un individu sont dus notamment aux protéines qu’il possède. Ce sont des macromolécules (= molécule de grande taille) composées d’une succession linéaire et ordonnée (= séquence) d’acides aminés. Elles se replient ensuite, ce qui leur permet d’exercer leur fonction(ex : structure :collagène des cheveux, kératine des ongles ; métabolisme : enzymes (ex :ADN polymérase), transport de molécule(ex : Hémoglobine et O2)).

L’ADN et les protéines sont donc 2 molécules linéaires, formées d’une succession ordonnée de sous-unités = éléments plus ou moins répétées appelée séquence des nucléotides pour l’ADN, ou séquence d’acides aminés = séquence peptidique pour les protéines.

B.          La relation gène-protéine

La mutation d’un gène (= modification d’un ou plusieurs nucléotides) modifie la séquence des acides aminés de la protéine correspondante. De plus, l’expérience de Beadle et Tatum (1941) montre que la mutation d’un gène modifie une protéine qui elle-même modifie un caractère héréditaire. Donc un gène est un fragment d’ADN qui détermine la synthèse d’une protéine, qui détermine elle-même un caractère héréditaire.

 Expérience historique de Beadle et Tatum: La mutation d’un gène entraine la modification d’une protéine (une enzyme) qui entraine la modification d’un caractère héréditaire (la capacité à synthétiser une molécule et à pousser sur un milieu supplémenté ou non en cette molécule)

A partir de 1960, on observe des similitudes entre l’ADN et les protéines : elles sont toutes 2 linéaires, formées d’une succession ordonnée de sous-unités/éléments plus ou moins répétées (polymères) appelée séquence des nucléotides pour l’ADN, ou séquence d’acides aminés pour les protéines. La mutation d’un gène (= modification d’un ou plusieurs nucléotides) modifie la séquence des acides aminés de la protéine correspondante de façon proportionnelle.

Comparaison d’un gène et de la protéine correspondante avec le logiciel Anagène

Cependant, chez les eucaryotes, la synthèse des protéines a lieu dans le cytoplasme, alors que l’ADN ne sort pas du noyau. Il faut donc qu’il y ait un intermédiaire qui transmette le message génétique d’un gène entre le cytoplasme et le noyau.

1SVT-1A1 II. Les divisions cellulaires

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Il existe 2 types de divisions cellulaires:

  • la mitose pour les cellules somatiques
  • la méiose pour les cellules germinales

A.  La mitose : la division conforme des cellules somatiques

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DOC schéma Mitose

Pendant la division des cellules somatiques = MITOSE (grec mitos qui signifie « le filament ») = division cellulaire des cellules somatiques, une cellule-mère se divise pour former 2 cellules-filles ayant toutes le même caryotype : le nombre, la forme des chromosomes sont identiques avant et après la mitose. C’est donc une reproduction conforme, qui conserve l’intégralité de l’information portée par les chromosomes de la cellule-mère. Les chromosomes sont visibles et se déplacent progressivement, pendant environ 1h chez la plupart des cellules. On y distingue 4 phases :

  1. La PROPHASE : les chromosomes enchevêtrés se condensent progressivement et deviennent visibles. Chaque chromosome est double c’est-à-dire à 2 chromatides sœurs (=2 molécules d’ADN identiques). L’enveloppe nucléaire  (=2 membranes accolées autour du contenu du noyau) qui entourait le noyau se désorganise et le noyau n’est plus visible.
  2. La MÉTAPHASE: les chromosomes à 2 chromatides s’alignent le long du plan équatorial de la cellule grâce au fuseau de division ou fuseau mitotique dont les fibres s’attachent aux centromères des chromosomes.
  3. L’ANAPHASE : les 2 chromatides sœurs de chaque chromosome se séparent pour former 2 lots identiques de chromosomes simples= à une seule chromatide. Ces 2 lots migrent chacun à un pôle de la cellule, grâce au raccourcissement et à l’allongement des fibres du fuseau de division.
  4. La TÉLOPHASE : Les chromosomes à 1 chromatide se décondensent. Les 2 noyaux redeviennent visibles grâce à l’enveloppe nucléaire qui se reforme. Elle est immédiatement suivie de la cytocinèse = cytodiérèse : une membrane plasmique (et une paroi chez les cellules végétales) se forme entre les cytoplasmes des 2 cellules-filles pour les séparer.

A la fin de la mitose, les deux cellules filles d’une cellule initiale possèdent ainsi exactement la même information génétique. La succession des mitoses produit un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques que l’on appelle un clone.

Les fibres du fuseau de division dans des cellules de rein de rat kangourou en division. Les fibres sont colorées en vert par la fluorescence, les chromosomes en orange. A: Interphase; B: Prophase; C: Métaphase; D, E: Anaphase; F, G, H: Télophase. Les fibres du fuseau de division séparent les chromatides-soeurs des chromosomes par allongement ou raccourcissement. D’autres fibres permettent la séparation des cytoplasmes des 2 cellules-filles.
Les différentes étapes de la mitose d’une Cellule végétale d’une racine de campanule, observée au microscope optique

Animations:

DOC schéma Mitose COR

B.  La méiose : la division non conforme des cellules germinales

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Les cellules souches germinales subissent, après copie de leur ADN au cours de l’interphase, la méiose  grec meiosis :« diminution »)= division des cellules germinales pour former les cellules reproductrices = gamètes (ovules, spermatozoïdes chez l’humain). La méiose comprend 2 divisions cellulaires successives sans nouvelle synthèse d’ADN. Elle permet ainsi de passer d’une cellule souche germinale diploïde (2n) à 4 gamètes haploïdes (n) (remarque : la fécondation des gamètes rétablira ensuite la diploïdie).

  • La première division de méiose ou méiose I sépare les chromosomes homologues (contrairement à la mitose qui sépare les chromatides de chaque chromosome). Elle comprend successivement 4 étapes :
    • La prophase I : les 2n chromosomes se condensent et deviennent visibles. Les chromosomes homologues(= de la même paire) s’apparient au niveau de leur centromère et les chromatides s’accolent 2 à 2 entre les 2 chromosomes homologues sur toute leur longueur. L’enveloppe nucléaire se désagrège et n’est plus visible à la fin de la prophase I.
    • La métaphase I : les 2n chromosomes homologues à 2 chromatides s’alignent par pairesur la plaque équatoriale de la cellule grâce au fuseau de division.
    • L’anaphase I : les 2n chromosomes homologues à 2 chromatides se séparent en 2 lots de n chromosomes à 2 chromatides qui migrent chacun à un pôle de la cellule. Chaque lot ne contient pas la même information génétique, puisque les chromosomes sont différents.
    • La télophase I : Les n chromosomes à 2 chromatides de chaque lot forment un nouvel amas avec parfois décondensation partielle des chromosomes. La cellule se sépare (cytodiérèse = cytocinèse) en deux cellules-filles haploïdes à n chromosomes à 2 chromatides.

Le nombre de chromosomes est réduit par 2 au cours de la méiose I : on parle de division réductionnelle.

  • La 2e division de méiose ou méiose II est analogue à la mitose car elle sépare les chromatides de chaque chromosome :
    • Prophase II : condensation des chromosomes ;
    • Métaphase II : les n chromosomes à 2 chromatides s’alignent sur le plan équatorial ;
    • Anaphase II : séparation des chromatides sœurs de chaque chromosome en 2 lots identiques à n chromosomes qui migrent à chaque pôle de la cellule ;
    • Télophase II : les n chromosomes à 1 chromatide se décondensent et l’enveloppe nucléaire se reforme. Les 2 cellules filles se séparent (cytodiérèse).

À la fin de la 2edivision de méiose, il y a donc 4 cellules-filles germinales haploïdes avec chacune n chromosomes à une chromatide. Le nombre de chromosomes est conservé au cours de la méiose II, seul de nombre de chromatides change : on parle de division équationnelle.

Evolution de la quantité d’ADN et des chromosomes au cours de la méiose. Remarquer la 2e division qui fait baisser la quantité d’ADN, et permet de passer de la diploïdie (2n) à l’haploïdie (n).
Méiose dans une cellule végétale
Méiose dans des cellules animales (drosophile). Ici les fibres du fuseau de division sont visibles.
Schéma des étapes de la méiose, avec ses 2 divisions successives.

Animation sur la méiose: https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/329-meiose

1SVT-1A1 III. La réplication de l’ADN au cours de l’interphase

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La réplication de l’ADN pendant la phase S de l’interphase aboutit à la copie conforme de l’ADN avec 2 chromatides identiques pour chaque chromosome (donc portant les mêmes allèles): c’est la base de la reproduction conforme.

Yeux de réplications dans l’ADN pendant la phase S de l’interphase, observés au MET, et le schémas d’interprétation au-dessous.

TD4 La réplication de l’ADN: Exercice interactif sur Geniallyet sa version papier ci-dessous:

1S-TP1A4-replication-ADN-2022Télécharger

A.  Le modèle semi-conservatif

L’expérience de Meselson et Stahl (1958) montre que cette réplication de l’ADN est semi-conservative : les deux brins complémentaires d’une molécule d’ADN forment chacun un des brins parentaux des 2 nouvelles molécules d’ADN. Chaque brin parental est copié en servant de modèle (matrice) pour synthétiser un brin néoformé, complémentaire du brin parental. Une fois la réplication terminée, les 2 molécules d’ADN en double hélice sont identiques, elles sont formées chacune d’un brin d’ADN parental et d’un brin d’ADN néoformé et possèdent chacune la même séquence de nucléotides que la molécule initiale : c’est le modèle semi-conservatif de la réplication de l’ADN.

 

Hypothèses de la réplication de l’ADN
Résultats de l’expérience de Meselsohn et Stahl.
Résultats attendus de l’expérience de Meselsohn et Stahl pour les différentes hypothèses de réplication de l’ADN. Les chiffres obtenus correspondent au modèle semi-conservatif, ce qui valide ce modèle. 

B.   Le mécanisme de la réplication

La décondensation de l’ADN pendant l’interphase permet sa réplication, en rendant l’ADN « accessible » aux enzymes (= protéines qui accélèrent les réactions biochimiques) de la réplication. Des complexes (= ensemble de molécules) enzymatiques, dont l’ADN polymérase, se positionnent en différents points de l’ADN. Ils ouvrent la double hélice (modèle en fermeture Eclair) au niveau des « yeux de réplication » visibles en ME. Puisl’ADN polymérase ajoute des nucléotides complémentaires à chaque brin d’ADN néoformé (A-T/ C-G). Chaque molécule d’ADN double brin forme l’une des 2 chromatides sœurs identiques d’un même chromosome.

Modèle de réplication de l’ADN

Modèle animé: http://mediatheque.accesmad.org/educmad/mod/page/view.php?id=35847

Animation de la réplication de l’ADN

1SVT-1A1 I. Les chromosomes au cours du cycle cellulaire

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A.   Chromosomes et caryotype

Les chromosomes sont des structures universelles aux cellules eucaryotes. Ils peuvent être classés selon leurs caractéristiques dans un caryotype (= image classée des chromosomes d’une cellule). 

Le nombre de chromosomes caractéristique de l’espèce humaine est de 46 = 23 paires, avec 22 paires d’autosomes (= chromosomes non sexuels) et une paire de gonosomes (= chromosome sexuel X ou Y).

Chacune de nos cellules somatiques comporte 23 paires de chromosomes homologues (= chromosomes de la même paire, de même forme, portant les mêmes gènes, mais pas forcément les mêmes allèles). Elles sont donc diploïdes (= comportant 2 lots de chromosomes homologues), notées 2n = 46, avec n le nombre de chromosomes différents. Nos cellules germinales (reproductrices) à la fin de la lignée germinale, au stade gamète, comportent un seul jeu de chromosomes, tous différents: elles sont donc haploïdes, notées n = 23. Le gonosome des ovules (ovocytes) est X et celui des spermatozoïdes est X ou Y.

NHGRI human male karyotype
Caryotype de cellules somatiques d’un homme

B.   L’ADN des chromosomes

Les chromosomes comportent une ou deux chromatides (« brins » accolés). Les deux chromatides d’un même chromosome sont strictement identiques, car elles sont composées chacune d’une copie de la même molécule d’ADN et ont donc les mêmes allèles : ce sont des chromatides-sœurs. Elles sont reliées entre elles par le centromère. Elles se séparent au cours de la division cellulaire, ce qui permet à chaque cellule-fille de recevoir 2 copies identique d’ADN. Chaque chromatide est constituée d’une seule longue molécule d’ADN en double hélice, associée à des protéines structurantes, notamment les protéines histones.

Schéma et photographie en microscopie électronique à transmission (MET) d’un chromosome à 2 chromatides. Les 2 chromatides contiennent la même information génétique, et donc les mêmes allèles, car elle possèdent toutes deux une copie de la même molécule d’ADN.

Les niveaux de condensation de l’ADN: schéma et modélisation. L’ADN s’enroule autour des histones pour former le nucléofilament (“collier de perles”) visible en microscopie électronique, composé d’une succession de nucléosomes (“perles”). 

Chromatin nucleofilaments (detail)

Nucléofilaments de chromatine décondensée d’érythrocytes de poulet observé en microscopie électronique à transmission (MET)
 Les “perles” correspondant aux nucléosomes (flèche noire) sont reliées entre elles par de fins filaments d’ADN (flèche blanche) ce qui a valu à cette structure son surnom de « collier de perles ». La barre d’échelle représente 50 . 
Par Chromatin_nucleofilaments.png: Chris Woodcockderivative work: Gouttegd (talk) — Chromatin_nucleofilaments.png, CC BY-SA 3.0, 
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16981885

Schéma de la structure d’un nucléosome Un nucléosome est constitué de 8 protéines histones (H2A, H2B, H3, H4), autour desquelles s’enroule la double hélice d’ADN. La protéine histone H1 intervient dans la condensation de l’ADN.

C. Le cycle cellulaire

Le cycle cellulaire correspond à l’intervalle entre la fin d’une division cellulaire et la fin de la division suivante. Chez toutes les cellules, le cycle cellulaire comporte 2 grandes phases, selon le niveau de condensation de l’ADN et le nombre de chromatides :

  • L’interphase: la cellule ne se divise pas, le noyau est relativement uniforme et l’ADN est décondensé dans le noyau et les chromosomes ne sont pas visibles : chaque molécule d’ADN est alors déroulée, l’enchevêtrement de l’ADN des différents chromosomes dans le noyau forme une matière plus ou moins dense visible au microscope appelée chromatine. La durée totale de l’interphase varie selon les cellules. (10 minutes pour des cellules embryonnaires de drosophiles, 90 minutes pour une levure, 1 à 2 jours pour des cellules épithéliales du tube digestif, plusieurs années pour des cellules hépatiques)

On distingue 3 phases dans l’interphase selon la quantité d’ADN :

  • La phase G1 : (Gap ou Growth) la cellule grandit et prépare la phase S en synthétisant (= fabriquant) des protéines. Les chromosomes décondensés ont une seule chromatide (quantité d’ADN = q).(durée variable)

Remarque : les cellules qui ne se divisent pas sortent du cycle cellulaire et passent en phase de repos dite G0, pour une durée indéfinie, généralement avant ou pendant la phase G1.

  • La phase S: la quantité d’ADN double grâce à la synthèse de l’ADN. On observe à ce moment des yeux de réplication dans le nucléofilament. (6-8h)
  • La phase G2 :c’est une nouvelle phase de croissance des cellules. Chaque chromosome décondensé a 2 chromatides-sœurs identiques (quantité d’ADN = 2q).(5-6h)
  • La phase M de division cellulaire : la cellule se divise et les chromosomes se condensent et deviennent visibles : la molécule d’ADN qui constitue chaque chromatide se pelotonne grâce aux protéines histones de chaque nucléosome qui se lient entre elles. La division est différente pour les cellules somatiques (mitose) ou germinales (méiose) : dans les 2 cas on observe une séparation des chromatides, mais la méiose comporte une étape supplémentaire de séparation des chromosomes pour réduire le nombre de chromosomes avant la fécondation en formant des cellules haploïdes, contrairement à la mitose où les cellules restent diploïdes.

L’ADN des chromosomes subit donc une alternance de condensation (phase M) /décondensation (interphase) au cours du cycle cellulaire, et de duplication (phase S de l’interphase)/ séparation (phase M) : c’est la base de la reproduction conforme d’une cellule.

Les étapes du cycle cellulaire
Evolution de la quantité d’ADN au cours du cycle cellulaire d’une cellule somatique