La réplication de l'ADN (classe de 1ère. spé SVT)

Semaine 2 (suite)

L'existence et la structure de l'ADN ne sont pas connu depuis plus d'un siècle. Au début du XXème siècle, on sait qu'il existe une substance appelée "nucléotine" située dans le noyau et qui est riche en azote. Très rapidement, on va découvrir que cette "nucléotine" est constituée de 4 bases azotées, la guanine, la cytosine, l'adénine et la thymine. 

Les 4 bases azotées de la "nucléotine"

 

Alors qu'on commence à connaître la composition chimique de l'ADN (acide désoxyribonucléique), on ignore toujours quel peut être son rôle. Vers 1925, on pense que ce sont les protéines qui assurent l'hérédité. Ce sont Griffith en 1928 puis Avery et McLeod en 1941 qui, par des expériences de "transformation bactérienne", vont permettre de comprendre que le matériel héréditaire est bien l'ADN

Les expériences de Griffith

 Petite vidéo sur les expériences de "transformation bactérienne" 

 La transformation de bactéries non virulentes en bactéries virulentes grâce à l'injection d'ADN de bactéries virulentes démontrent que les caractéristiques génétique sont portées par l'ADN. A partir des années 1940, la connaissance de l'ADN s'affine. Le chimiste Erwin Chargaff découvre en 1949, qu'une molécule d'ADN possède autant d'adénine que de thymine et de cytosine que de guanine. Les nucléotides vont donc par paire.

Les "règles" de Chargaff

En 1950, on sait qu'une molécule d'ADN contient 4 bases azotées, du désoxyribose (sucre), et du phosphate mais on ne sait pas comment tout cela est organisée. C'est Rosalind Franklin qui, en 1952, fait une avancée décisive en réalisant des clichées de la molécule par diffraction aux rayons X. Elle démontre ainsi que la structure de l'ADN est hélicoïdale.

Le cliché 51 de Rosalind Franklin qui montre la structure en hélice de l'ADN

 

C'est à partir de ce cliché et des connaissances sur la composition de la molécule d'ADN que James Watson et Francis Crick propose une structure pour l'ADN en 1953. Elle leur vaudra le prix Nobel en 1962

Modèle original de Watson et Crick pour la molécule d'ADN exposé au musée de Berlin

 

La structure de l'ADN est donc une double hélice constituée de nucléotides (1 base azotée + une molécule de désoxyribose + un phosphate). Les barreaux de la double hélice sont constitués par une association de deux bases azotées, adénine + thymine et guanine + cytosine.

Structure de l'ADN

 

Dans un chromosome, l'ADN s'enroule autour de protéines appelées histones sous la forme d'un "collier de perle". Cette structure se complexifie par enroulement successif pour donner un chromosome

De l'ADN au chromosome

 

Petits calculs (à faire)

Une cellule humaine en interphase peut se représenter sous la forme d'une microsphère de 50 µm de diamètre. Le noyau occupe environ 10% de ce volume  et renferme 46 chromosomes monochromatidiens. Si on prend un chromosome de taille moyenne, on estime qu'il contient 235 millions de pb (paires de bases) distantes de 0,34 nm. Estimez la longueur du chromosome et donnez votre résultats dans une unité cohérente (pas en kilomètre !).

On estime qu'un être humain est composé de 30 000 milliards de cellules. dont 84% d'hématies sans noyau. Les 23 chromosomes différents de l'espèce humaine réunissent 3 milliards de pb. A partir de l'ensemble des informations, estimez la longueur moyenne de tout l'ADN présent dans l'organisme d'un humain. Comparez à la taille d'une cellule.

Nous avons vu qu'avant toute division cellulaire (mitose ou méiose), il y a doublement de la quantité d'ADN produite par le phénomène de réplication de l'ADN. Dès la découverte de la structure de l'ADN, les scientifiques s'intéressèrent à ce phénomène. Plusieurs modèles furent proposés.

Les hypothèses concernant la réplication de l'ADN

 

Même si l'hypothèse dite semi-conservative est privilégiée dès le début, encore faut-il prouver que c'est le bon mécanisme. Il faudra attendre 1958 pour que Matthew Meselson et Franklin Stahl établissent un protocole permettant de vérifier l'hypothèse.

Expérience de Meselson et Stahl

Les résultats

 

Une petite vidéo sur l'expérience de Meselson et Stahl pas mal faite même si la dame est un peu gnangnan

 Exercice

 *Pour la première question, on prendra une vitesse de réplication de 1000 pb par seconde chez les bactéries.

L'exercice vous a montré que dans le cas de grands chromosomes humains, il faut admettre que la réplication commence à plusieurs endroits en même temps. Ces lieux d'initiation de la réplication s'appelle des"yeux de réplication".

Photographie des yeux de réplication d'une molécule d'ADN

 

Schéma d'un œil de réplication

 

Semaine 3

Petit essai de TP à la maison

Rôle de l'ADN-polymérase

Vous venez de voir que la réplication de l'ADN se fait au niveau des yeux de réplication. Seulement s'il n'y avait que l'ADN, la réplication ne pourrait pas avoir lieu. Il faut un système de démarrage. C'est ce qu'on appelle un catalyseur. En biochimie, les catalyseurs sont les enzymes. Nous entrerons un peu dans le détail dans le chapitre 6. En attendant, nous allons nous intéresser à l'ADN-polymérase, l'enzyme qui catalyse la réplication. Pour ce faire nous allons travailler sur le site libmol.org.

Fiche technique de libmol.org

 

Quand vous êtes dans le site, tapez ADN dans "Rechercher dans la librairie de molécules". Vous avez 24 réponses. 

Entrez d'abord, ADN 14 paires de bases. Allez dans séquence. Vous devez voir apparaitre la série de nucléotides de chaque chaîne. Recopiez là dans votre classeur en réunissant les deux nucléotides complémentaires par un trait. On a la représentation classique d'un fragment d'une molécule d'ADN.

Dans fichier, entrez maintenant "ADN-polymérase". Vous devez voir une sorte de boulgi-boulga qui ne vous évoque pas grand chose. Dans "commande", sélectionnez ADN/ARN puis représentez en sphères. Normalement tout devrait s'éclairer. Vous devriez bien visualiser la double hélice d'ADN et l'enzyme globulaire qui l'entoure. Sélectionnez protéines et représentez en rubans. Ce ruban représente la chaine d'acides aminés qui constitue la protéine enzymatique. Dans séquence, regardez A (la dernière à droite). Chaque acide aminés est symbolisé par ses 3 premières lettres (lys = lysine, ala = alanine). De combien d'acides aminés est constituée l'ADN polymérase ? (vous ne comptez pas le Na et les HOH)

Dans fichier, entrez maintenant "ADN-polymérase du bactériophage T2 en cours de réplication". Pour votre information, un bactériophage est un virus qui parasite les bactéries. Dans commande, sélectionnez ADN/ARN puis représentez en sphère. Décrivez en une phrase ce que vous voyez. Si vous inversez (ADN en boules et protéines en sphères et bâtonnets) qu'est ce qui apparait nettement ?

La PCR

La PCR (Polymerase Chain Reaction) a été mise au point en 1985 par Kary Mullis. Cette technique utilise la réplication de l'ADN pour amplifier le nombre de chaines et pouvoir l'analyser plus facilement et plus précisément. C'est cette technique qui est à la base des tests de dépistage du Covid19.

Afin de comprendre ce qu'est cette technique allez sur le site suivant : 

https://www.pedagogie.ac-aix-marseille.fr/jcms/c_10595381/fr/video-enrichie-sur-le-principe-de-la-pcr?hlText=pcr

Utilisez la première vidéo qui est simple. Cette animation s'arrête deux fois. Vous devez répondre aux questions puis vérifier vos réponses. Les questions sont simples, elles ne visent qu'à voir si vous avez bien suivi le déroulement de la technique.

 

Les divisions cellulaires chez les eucaryotes (1ère spé SVT)

Semaine 1

On divise classiquement les êtres vivants en deux grandes catégories, les eucaryotes et les procaryotes. Les eucaryotes possèdent un noyau différencié, qui contient le matériel génétique, séparé du cytoplasme par une membrane nucléaire. Appartiennent aux eucaryotes, les animaux, les plantes et les champignons. Les procaryotes ne possèdent pas de noyau. Le matériel génétique est intégré au cytoplasme de la cellule. Appartiennent aux procaryotes, les bactéries et les virus.
Les chromosomes sont des structures universelles aux cellules eucaryotes.

Un chromosome peut être monochromatidien ou bichromatidien

La quantité d'ADN (acide désoxyribonucléique) varie au cours de la vie de la cellule. On parle de cycle cellulaire. Durant ce cycle cellulaire, on observe un doublement de la quantité d'ADN pendant la phase S (réplication) et une division de la cellule durant la mitose.

Cycle cellulaire d'une cellule eucaryote

Durant le cycle cellulaire de la reproduction conforme ou mitose, le nombre de chromatide par chromosome varie entre 1 et 2. L'état de condensation des chromosomes varient aussi. Plus un chromosome est condensé mieux il se voit au microscope. La condensation est maximale durant la mitose alors que le chromosome est bichromatidien et minimale durant la phase G1 alors que le chromosome est monochromatidien.

Les états de condensation du chromosome

La mitose est appelée reproduction conforme car toutes les caractéristiques de la cellule parentale sont conservées chez les deux cellules filles. La mitose est classiquement divisée en 4 phases :
— la prophase durant laquelle la membrane nucléaire disparait et les chromosomes apparaissent
— la métaphase durant laquelle les chromosomes bichromatidiens se disposent en plaque équatoriale — l'anaphase durant laquelle les deux chromatides d'un chromosome se séparent et migrent à chaque pôle de la cellule durant l'ascension polaire
— la télophase qui correspond à la séparation des deux cellules filles.
L'immense majorité des espèces vivantes est diploïde c'est à dire que les chromosomes vont par paires appelées chromosomes homologues. Lorsqu'un individu est un diplonte, on schématise son caryotype par 2N. Dans le cas de l'espèce humaine, 2N = 46. Cela signifie que l'espèce présente 46 chromosomes disposés en 23 paires.

Déroulement simplifié d'une mitose chez une cellule 2N = 4

Les phases de la mitose chez une cellule 2N = 2

Une petite vidéo de mitose chez une cellule végétale… accompagnée par le Boléro de Ravel !

Une vidéo qui résume le cycle cellulaire et la mitose

Chez les eucaryotes, il existe deux grandes lignées cellulaires, la lignée somatique et la lignée germinale. La lignée cellulaire regroupe toutes les cellules qui constituent le corps (soma) d'un organisme. Les cellules somatiques ne subissent que la mitose.
La lignée germinale correspond aux cellules assurant la reproduction (gamètes = ovocytes + spermatozoïdes). Elles peuvent subir aussi le processus de mitose, mais sont les seules à subir la méiose.
La méiose est une division cellulaire qui conduit à la fabrication de 4 cellules haploïdes à partir d'une cellule diploïde.

Lignée somatique et lignée germinale

Variation du taux d'ADN dans une cellule de la lignée germinale.

On constate qu'après la méiose, la cellule ne peut plus avoir de cycle cellulaire. On constate aussi que la méiose est constituée de 2 divisions successives.

Les deux divisions méiotiques successives

Le déroulement de la méiose (donné à titre indicatif, ne pas apprendre)

Conclusion : la mitose est un processus qui permet le maintient des caractéristiques génétiques d'une lignée cellulaire. La méiose est un processus qui permet d'introduire de la variabilité chez un individu tout en maintenant les caractéristiques générales de l'espèce.

Semaine 2

Activité pratique prévue le 10 septembre

A. Observation microscopique de mitose dans les cellules de racine de jacinthe

A : cellule en interphase (avant la mitose)
B : prophase
C : métaphase
D : anaphase
E : deux cellules filles issue de la télophase

B. Observation microscopique de méiose dans les anthères du Lis.

Chez les végétaux, le gamète mâle est le grain de pollen. Celui-ci se forme dans les anthères qui est la partie fertile des étamine. Vous voyez quelques phases des deux divisions méiotique.

C. Des caryotypes anormaux

Il peut arriver que la méiose se passe mal et que les chromosomes soient inégalement répartis dans les différents gamètes. Ce phénomène est à l'origine des trisomies. Ces anomalies touchent souvent les chromosomes sexuels (syndrome de Turner, syndrome de Klinefelter). Pour les chromosomes non-sexuels (les autosomes), la seule trisomie viable à long terme est la trisomie du 21 appelé syndrome de Dawn.

Allez dans le site suivant et suivez les informations qu'on vous donne. Vous pourrez ainsi observer comment on fait un caryotype et ce qu'on peut en tirer.

http://ww2.ac-poitiers.fr/svt/IMG/swf/caryotype.swf

Suite du cours...

Chapitre I. L'atmosphère terrestre et la vie (enseignement scientifique, terminale)

SEMAINE 1

Dans ce chapitre, nous comparerons la composition de l'atmosphère de la Terre primitive et l'atmosphère de la Terre actuelle.
La majorité des scientifiques s'accordent à penser que toutes les planètes su système solaire de sont formées au même moment, c'est à dire il y a environ 4,5 GA (giga-années) par accrétion de poussières stellaires. Certains corps, cependant, ne se sont pas maintenus agglomérés et ont données naissances aux astéroïdes qui forment des ceintures. Lorsque deux astéroïdes se choquent, l'un deux peut être expulsé de la ceinture et tomber par gravité sur une planète. On a alors une météorite.
Sachant que la composition des astéroïdes est la même que celle des planètes, les planétologues en ont déduit que la composition des gaz présents dans les astéroïdes (et les météorites) pouvaient être équivalente à celle des planètes primitives dont la Terre.

Composition des gaz d'une météorite

Composition comparée de l'atmosphère de la Terre primitive et de la Terre actuelle

Si on résume, l'atmosphère de la Terre primitive est constituée de beaucoup de vapeur d'eau et de CO2, et d'un peu de diazote. Il y a absence totale de dioxygène
Afin de conforter cette hypothèse, on a étudié la composition des gaz volcaniques. On constate que la composition globale est proche des hypothèses décrites plus haut.

Composition moyenne des gaz émis par un volcan

Une des particularités de l'atmosphère terrestre est la présence de dioxygène. Ce dioxygène est apparu sur Terre, il y a, environ 3 GA. La présence d'O2 sur Terre est un des paramètres qui explique l'évolution des formes de vie sur notre planète. Attention, l'absence d'O2 n'empêche pas la vie de se développer, comme les bactéries fermentaires le démontrent.

Evolution de la composition des gaz atmosphériques au cours du temps

Un autre des paramètres de l'apparition et de l'évolution de la vie sur Terre est le point triple de l'eau. Ce point triple de l'eau montre que dans les conditions de température et de pression régnant sur Terre, l'eau est présente sous ses trois états, liquide, solide, gazeux. C'est une particularité importante car si on prend une planète comme Mars, seule l'eau à l'état solide est présente.

Diagramme du point triple de l'eau

Origine et évolution du dioxygène sur Terre

En Afrique du Sud, on trouve une formation géologique appelée formation de Barberton datée 3,2 GA. On constate que cette formation est de couleur globalement rouge. En géologie, de telle roche sont caractéristique de la présence d'oxyde de fer.

La formation de Barberton

Si on regarde de plus près cette formation, on constate qu'elle est formée de couches successives (qui lui vaut son nom de minerai de fer rubané).

Le minerai de fer rubané

Cela signifie qu'on est présence de très vieilles roches sédimentaires qui ont été métamorphisées au cours du temps. Les roches sédimentaires se formant essentiellement en milieu marin, cela signifie que le dioxygène est apparu en milieu marin. Le dioxygène dissous dans l'eau a donc oxydé le fer à l'état d'ions solubles provoquant la formation d'un oxyde insoluble qui s'est déposé sur les fonds marins donnant les minerais de fer rubanés. La vie sur Terre serait apparu il y a environ -3,5 GA
On estime aujourd'hui que les premières traces de dioxygène sont dues à l'activité photosynthétique d'organisme procaryotes appelées cyanobactéries. Ces cyanobactérie, apparues il y a plus de 3 GA, existent toujours.

Une cyanobactérie actuelle, Anabœna

La photosynthèse nécessitant la lumière solaire, les premières cyanobactéries devaient être proches de la surface. C'est ce qu'on constate dans le cas des stromatolithes de Shark Bay en Australie. Ces stromatolithes sont des édifices calcaires construits par l'activité des cyanobactéries dans la zone intertidale (zone de balancement des marées).

Carte de l'Australie. Shark Bay est indiquée par une flèche noire

Stromatolithes à marée basse

Stromatolithes à marée haute

A suivre...

SEMAINE 2

Fiches de l'activité que nous aurions dû faire à partir d'aujourd'hui 9 septembre (sauf T1).

Attention Warning :
Même si ces fiches proviennent du site académique de Nantes, il y a une énorme ânerie dans le texte de la troisième fiche. A la troisième ligne sous les deux courbes, on peut lire cette abomination : "Ensuite lors de l'ajout de la solution du sulfate de fer, on note une diminution de cette photosynthèse ".
Outre le fait qu'on ne commence jamais une phrase par ensuite, la photosynthèse ne diminue pas. Tant qu'on éclaire une plante verte, elle photosynthétise. Simplement dans ce cas, le dioxygène est piégé par l'oxyde de fer et n'est donc pas libéré dans l'eau
On brûlait pour moins que ça au Moyen-âge !

Suite du cours (SEMAINE 2 pour les T1, SEMAINE 3 pour les autre)

Une coupe dans un stromatolithe actuel montre que seule la partie la plus externe est vivante et contient des cyanobactéries. Le reste est calcifié par précipitation de carbonate de calcium, cette précipitation étant due à l'activité photosynthétique.

Coupe dans un stromatolithe actuel

 

Les stromatolithes fossiles peuvent atteindre des tailles énormes comme le montre la photo ci-dessous prise dans le massif du Harz en Allemagne centrale.

 

Une coupe dans un stromatolithe fossile montre une structure tout à fait comparable au stromatolithe actuel. Si on applique l'actualisme (les mêmes causes engendrent les mêmes conséquence quelque soit l'époque), on peut considérer que les cyanobactéries fossiles sont bien à l'origine de l'apparition du dioxygène sur Terre.

Coupe de stromatolithe fossile

 

Une vidéo sur les stromatolithes géants des Bahamas découverts en 1986

 

A partir d'un certain nombre d'artéfacts géologiques on a pu reconstituer la courbe d'évolution du taux de dioxygène sur Terre depuis son apparition. Après que tout le fer II ait été oxydé, on estime que le dioxygène passe dans l'atmosphère, il y a environ 2,4 GA.

 

On peut constater que le taux de dioxygène a été au plus haut durant le carbonifère

 

Le carbonifère est une période du paléozoïque pendant laquelle les forêts (fougères arbustives surtout) recouvraient une grande partie des terres émergées. C'est de cette période que date les charbons du Nord-Pas-de-Calais. L'intense activité photosynthétique amène le taux de dioxygène à plus de 30%. Cette pression d'oxygène a entrainé une augmentation de la taille des insectes. C'est ainsi que Meganeura, une libellule, a pu atteindre une taille de 70 cm d'envergure.

Fossile de Meganeura au musée de Bruxelles

 

On peut ainsi facilement établir un cycle du dioxygène permettant de définir les phénomènes de consommation et de libération de O2. On parle de source pour la fabrication de dioxygène et de puits pour la consommation de dioxygène. On constate sur le schéma suivant que les deux phénomènes majeurs sont la photosynthèse (source) et la respiration (puits).

 

SEMAINE 4

Activités.

Observation microscopique de Cylindrospermum x 400. Cylindrospermum est une cyanobactérie filamenteuse.

 

Observation de coupe de stromatolithes à la loupe binoculaire. La partie la plus externe la était la zone photosynthétique occupée par les cyanobactéries.

 

SEMAINE 5

Le stockage et le cycle du carbone

Dans le cycle simplifié ci-dessous, on constate que le carbone se trouve sous deux états à la surface du globe :

— à l'état minéral dans l'atmosphère sous forme de CO2

— à l'état organique intégré dans la matière organique des êtres vivants.

Le passage de l'état minéral à l'état organique se fait essentiellement chez les végétaux grâce au phénomène de photosynthèse :

dioxyde de carbone + eau = glucose + dioxygène

Le passage de l'état organique se fait essentiellement par le phénomène de respiration cellulaire et de décomposition lorsque la matière organique est morte :

glucose + dioxygène = dioxyde de carbone + eau

 

Le phénomène de fossilisation se fait en milieu anoxyque (absence d'oxygène). La matière organique disparait peu à peu mais le carbone subsiste dans la roche carbonée (charbon ou pétrole). Lorsqu'on utilise un combustible fossile on libère donc du CO2 qui a été immobilisé il y a plusieurs centaines de millions d'années. Attention, il n'y a pas de stockage du dioxygène mais il y a stockage de carbone.

Fougère fossile conservée dans du charbon du Pas-de-Calais (Carbonifère, 300 millions d'années)

 

Le cycle du carbone ci-dessous a été réalisé d'après les travaux du GIEC (groupe intergouvernemental d'étude du climat). Il s'agit de la version 2014 qui a été réalisée au moment de la COP 21 qui a abouti aux accords de Paris sur le climat.

Ce cycle indiques deux informations principales :

— contrairement au cycle du dioxygène, le cycle du carbone n'est pas équilibré, il y plus de production de CO2 que de consommation

— ce déséquilibre est d'origine anthropique (activités humaines)