THÈME 1 : La Terre, la vie et l’organisation du vivant Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Chapitre 1 : Les divisions cellulaires, transmission du programme génétique chez les eucaryotes

« THÈME 1 : La Terre, la vie et l’organisation du vivant Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Chapitre 1 : Les divisions cellulaires, transmission du programme génétique chez les eucaryotes Introduction Toutes les cellules d’un être vivant pluricellulaire proviennent de divisions cellulaires successives (mitoses) à partir de la cellule-œuf originelle (ou zygote).

Cette dernière est issue de la fusion des gamètes (cellules reproductrices) mâle et femelle des parents permettant de maintenir le caryotype de l’espèce de génération en génération (Chaque espèce est caractérisée par son caryotype (ensemble des chromosomes d’une cellule, 2n = 46 chez l’Homme). A travers ce chapitre nous étudierons les mécanismes à l’origine de la conservation et la transmission du patrimoine génétique dans les cellules. En général, la division cellulaire appelée mitose est une reproduction conforme d’une cellule en deux cellules ayant le même caryotype (nombre et morphologie des chromosomes) et le même programme génétique. Problème : Comment le caryotype et le programme génétique sont-ils maintenus lors des divisions cellulaires ? 1.

Le cycle cellulaire Le cycle cellulaire se compose de 2 grandes phases : a.

L’interphase Activité 1 : les chromosomes au cours d’un cycle cellulaire L’analyse de la quantité d’ADN au cours du temps montre que celle-ci varie au cours d’un cycle formé de 4 phases distinctes.

Ce cycle de 4 étapes est appelé cycle cellulaire. Pendant l'interphase la cellule possède les molécules d’ADN sous forme décondensées (en amas diffus). L’interphase se déroule en 3 temps : ❖ G1 (gap = intervalle) = phase de croissance, quantité d’ADN constante, les chromosomes sont simples, ils sont constitués d’une unique molécule d’ADN ❖ S (synthèse) = phase de réplication= duplication (doublement progressif) des molécules d’ADN, ❖ G2 = phase de croissance, quantité d’ADN stable et double par rapport à G1, les chromosomes sont doubles (à deux chromatides réunies au niveau du centromère) prêts pour la mitose (M). 1 THÈME 1 : La Terre, la vie et l’organisation du vivant Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Au début de la mitose, les molécules d’ADN subissent une condensation en s’enroulant sur elles-mêmes et prennent la forme de petits bâtonnets colorables, bien individualisés car condensés : les chromosomes. À la fin de la mitose, les chromosomes se décondensent et prennent un aspect diffus, à l’intérieur du noyau cellulaire des cellules-filles. Durant l’interphase qui suit les chromosomes restent dans cet état décondensé. L’organisation des chromosomes varie durant un cycle cellulaire car l’ADN qui est une longue molécule filamenteuse à la capacité de s’enrouler sur elle-même, de se compacter. Durant l’interphase, chaque chromosome est à l’état de nucléofilament* qui correspond à une molécule d’ADN régulièrement enroulée autour de protéines (histones).

L’ensemble de ces nucléofilaments, enchevêtrés, forme la chromatine du noyau. C’est en mitose que ces nucléofilaments vont subir un surenroulement considérable et vont donner des chromosomes épais et bien individualisés. Ex.

: un nucléofilament de 8 cm de long et de 2 nm donnera un chromosome de 7 µm de long et de 0,7 µm d’épaisseur. *Nucléofilament : enchaînement de nucléosomes (ADN enroulé autour d’une histone) constituant la chromatine. b.

La mitose ou division cellulaire Activité 2 : la mitose : une reproduction conforme de l’information génétique La mitose est une division cellulaire correspondant à une reproduction conforme qui conserve toutes les caractéristiques du caryotype (nombre et morphologie des chromosomes).

La cellule mère qui va se diviser en 2 cellules filles.

Les deux cellules filles obtenues sont identiques génétiquement. Lorsque les cellules sont en mitose, les molécules d’ADN sont condensées au maximum ce qui rend visible les chromosomes.

Cette phase dure entre 30 minutes et 3 heures et comporte 4 étapes : 2 THÈME 1 : La Terre, la vie et l’organisation du vivant Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique ❖ La prophase (grec pro = avant) : (15 min - 1h) Les chromosomes sont doubles, formés de deux chromatides identiques réunies par le centromère ; ils se condensent progressivement et deviennent peu à peu observables. L’enveloppe nucléaire se désorganise, un fuseau de division apparaît. ❖ La métaphase (grec meta = après) : (quelques minutes) Les chromosomes condensés s’alignent sur le plan équatorial (ou plaque équatoriale) de la cellule. ❖ L’anaphase (grec ana = en haut) : (2 à 3 minutes) Clivage du centromère, séparation des chromatides qui migrent chacune aux pôles opposés de la cellule (tirées par les fibres du fuseau de division), tractées par les fibres du fuseau de division qui se rétractent. ❖ La télophase (grec telos = fin) : (15 à 60 minutes). Les chromosomes, désormais simple (à 1 chromatide) se décondensent et l’enveloppe nucléaire se reforme.

Division du cytoplasme et répartition des organites : c’est la cytodiérèse. Après cette division, les cellules-filles possèdent chacune la moitié du matériel génétique de la cellulemère (1 seule chromatide par chromosome), mais ont toujours le même caryotype (même nombre de chromosome.) et le même programme génétique que celle- ci. Les étapes de la mitose en photographies microscopiques et schématisées. 3 THÈME 1 : La Terre, la vie et l’organisation du vivant Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique 1 cellule mère à n paires de chromosomes homologues doubles (= à 2 chromatides) en début de mitose donne 2 cellules filles possédant elles aussi n paires de chromosomes mais simples (= à 1 chromatide). La mitose permet bien le partage équitable de l’information génétique, c’est une reproduction conforme. Schéma bilan d’un cycle cellulaire Diploïde : Une cellule biologique est diploïde lorsque les chromosomes qu'elle contient sont présents par paires. Puisqu’au cours de la mitose une cellule transmet son information génétique aux deux cellules filles, il est indispensable qu’au cours de l’interphase précédant la division, l’intégralité de l’information génétique ai été dupliquée. Quand et comment se déroule la duplication du matériel génétique, de l’ADN au cours du cycle cellulaire ? c.

Une étape indispensable avant la mitose : la réplication de l’ADN : La répartition équitable des chromatides dans les cellules filles implique un doublement de la quantité d’ADN avant la division.

Cette synthèse a lieu durant la phase S de l’interphase : c’est la réplication de l’ADN (ou duplication). 4 THÈME 1 : La Terre, la vie et l’organisation du vivant Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Activité 3 : la réplication : expérience de Meselson et Stahl Problématique : Comment la réplication permet de doubler la quantité d’ADN ? Pour comprendre le mécanisme de la réplication, Meselson et Stahl formulent trois hypothèses : - Hypothèse 1 : réplication selon un mode conservatif Selon le modèle conservatif (1) la molécule d'ADN "mère" (en rouge) est entièrement conservée et sert de "modèle" à la formation d’une molécule "fille" (en bleu) entièrement nouvelle. - Hypothèse 2 : réplication selon un mode semi-conservatif Selon le modèle semi-conservatif (2) la molécule d’ADN "fille" conserve la moitié de la molécule "mère".

Chaque brin de la molécule "mère" sert alors de matrice à la synthèse d'un brin complémentaire. - Hypothèse 3 : réplication selon un mode dispersif Selon le modèle dispersif (3) aucun brin n’est conservé intact.

La copie se réalise par fragments dispersés dans l'ensemble de l'ADN. Pour valider les hypothèses, ils mettent en place l’expérience suivante : 15 Expérience de Meselson et Stahl : ils cultivent des bactéries sur un milieu contenant N Sachant que les bactéries possèdent un unique chromosome, soit une unique molécule, constituée de deux brins d’ADN complémentaires.

Cultiver des bactéries signifie les faire se reproduire par division cellulaire. Pour comprendre l’expérience, on part du fait que toutes les bactéries se reproduisent au même rythme, les cycles cellulaires sont synchrones. 5 THÈME 1 : La Terre, la vie et l’organisation du vivant Thème 1A : Transmission, variation et expression du patrimoine génétique Résultats de l’expérience et validation de l’hypothèse 2: Bilan de l’activité 3 : Une molécule d’ADN est constituée de deux brins enroulés en double hélice. La réplication d’une molécule d’ADN nécessite l’écartement des deux brins de la molécule d’ADN initiale, chacun des brins servira alors de modèle à la fabrication d’un nouveau brin : - 1 première enzyme, l’hélicase va écarter les brins de la molécule ADN ce qui créer un œil de réplication, avec deux fourches de réplication à chaque extrémité. Chaque brin d’ADN sert de modèle à un complexe enzymatique appelé ADN polymérases qui crée un brin d’ADN de séquence nucléotidique complémentaire du brin modèle. Rq : ADN polymérase associe des nucléotides prélevés dans le nucléoplasme (elle ne les fabrique pas). Elle permet la synthèse de 2 nouveaux brins d’ADN par ajout.... »