Transmission et expression du patrimoine génétique
Première · SVT · La Terre, la vie et l'organisation du vivant
La Terre, la vie et l'organisation du vivant
Conserver et transmettre le patrimoine génétique
Toutes les cellules d'un même organisme possèdent le même patrimoine génétique : celui de la cellule-œuf dont elles descendent. Pour que cette information reste identique de génération cellulaire en génération cellulaire, la cellule doit d'abord copier son ADN (la réplication), puis répartir équitablement les copies (la mitose). Ce chapitre décrit cette machinerie, puis on verra dans la seconde fiche comment cette information est lue.
Précisons d'emblée un point de structure : l'ADN n'est jamais nu dans la cellule, il s'enroule autour de protéines appelées histones. Selon le moment du cycle cellulaire, ce complexe ADN-protéines change d'aspect. En interphase, il est décondensé : l'ADN est accessible, il peut être lu et copié. Au moment de la division, il se condense fortement en chromosomes bien visibles au microscope : sous cette forme compacte, l'ADN n'est plus lisible, mais il est beaucoup plus facile à déplacer.
Le cycle cellulaire : interphase puis mitose
Une cellule qui se divise parcourt un cycle cellulaire en deux grands temps. L'interphase (la plus longue) se découpe en trois phases : G1, où la cellule grandit et exerce son activité ; S, où l'ADN est répliqué ; G2, où la cellule se prépare à la division. Vient ensuite la mitose (phases M), pendant laquelle les chromosomes sont répartis, suivie de la cytodiérèse qui sépare physiquement les deux cellules filles.
| Phase | Ce qui s'y passe | État des chromosomes | Quantité d'ADN par cellule |
|---|---|---|---|
| G1 | Croissance, activité de la cellule | Décondensés, 1 chromatide chacun | Q |
| S | Réplication de l'ADN | Décondensés, passage de 1 à 2 chromatides | de Q à 2Q |
| G2 | Préparation à la division, contrôles | Décondensés, 2 chromatides chacun | 2Q |
| Mitose | Condensation puis séparation des chromatides | Condensés, 2 chromatides puis 1 | 2Q puis Q dans chaque cellule fille |
La réplication : une copie semi-conservative
Pendant la phase S, la double hélice s'ouvre localement : les deux brins se séparent, comme une fermeture éclair. Chaque brin sert alors de matrice. Une enzyme, l'ADN polymérase, parcourt le brin matrice et place en face de chaque nucléotide son complémentaire : un A appelle un T, un G appelle un C. À la fin, on obtient deux molécules d'ADN identiques à la molécule de départ, et chacune contient un brin ancien et un brin néoformé. C'est pour cela qu'on parle de réplication semi-conservative : la moitié de chaque molécule est conservée. L'expérience de Meselson et Stahl (1958), qui a suivi des bactéries cultivées sur azote lourd puis transférées sur azote léger, a permis de le démontrer.
La Terre, la vie et l'organisation du vivant
Exprimer le patrimoine génétique : de l'ADN à la protéine
Posséder l'information ne suffit pas : il faut la lire. L'expression d'un gène se déroule en deux étapes séparées dans l'espace : la transcription, qui recopie le gène en ARN dans le noyau, puis la traduction, qui convertit cet ARN en protéine dans le cytoplasme. Cette séparation est une caractéristique des cellules eucaryotes : l'ADN, trop précieux, ne sort jamais du noyau — c'est une copie de travail qui voyage.
| Critère | ADN | ARN |
|---|---|---|
| Nombre de brins | Deux brins (double hélice) | Un seul brin |
| Sucre | Désoxyribose | Ribose |
| Bases azotées | A, T, G, C | A, U, G, C (l'uracile remplace la thymine) |
| Localisation | Noyau uniquement (ADN nucléaire) | Synthétisé dans le noyau, actif dans le cytoplasme |
| Durée de vie | Très longue : c'est l'archive | Courte : c'est une copie de travail |
La maturation et l'épissage alternatif
L'ARN pré-messager n'est pas directement utilisable. Il alterne des séquences codantes, les exons, et des séquences non codantes, les introns. Au cours de la maturation, les introns sont excisés (découpés et éliminés) et les exons sont raboutés : c'est l'épissage. On obtient alors l'ARN messager (ARNm) mature, qui sort du noyau par un pore nucléaire.
Un même ARN pré-messager peut être épissé de plusieurs façons différentes selon le type cellulaire : certains exons sont conservés dans une cellule et éliminés dans une autre. C'est l'épissage alternatif, et il a une conséquence considérable : un seul gène peut donner naissance à plusieurs protéines différentes. C'est une des explications du fait que l'être humain ne possède qu'environ 20 000 gènes mais fabrique bien davantage de protéines.
La traduction se déroule dans le cytoplasme, prise en charge par les ribosomes. Le ribosome se fixe sur l'ARNm et le parcourt codon par codon ; à chaque codon correspond un acide aminé apporté par un ARN de transfert. Les acides aminés sont reliés les uns aux autres et forment une chaîne, le polypeptide, qui se replie ensuite dans l'espace pour donner une protéine fonctionnelle. Un même ARNm peut être lu simultanément par plusieurs ribosomes : la cellule produit ainsi de nombreuses copies de la même protéine en peu de temps.
Exercices corrigés
Quelles sont les quatre bases azotées que l'on trouve dans l'ADN ?
- A.A, U, G, C
- B.A, T, G, U
- C.A, T, G, CBonne réponse
- D.A, T, R, C
Réponse : C — A, T, G, C
L'ADN contient l'adénine (A), la thymine (T), la guanine (G) et la cytosine (C). L'uracile (U) n'existe pas dans l'ADN : c'est la base propre à l'ARN, où elle remplace la thymine. La réponse « A, U, G, C » est donc la composition de l'ARN, pas celle de l'ADN — c'est la confusion la plus fréquente du chapitre.
Pendant quelle phase du cycle cellulaire l'ADN est-il répliqué ?
- A.La phase SBonne réponse
- B.La phase G1
- C.La phase G2
- D.La mitose
Réponse : A — La phase S
La réplication a lieu uniquement pendant la phase S de l'interphase (S comme « synthèse » d'ADN). G1 est la phase de croissance et d'activité qui la précède, G2 la phase de préparation à la division qui la suit. Pendant la mitose, l'ADN n'est plus copié : il est simplement condensé puis réparti entre les deux cellules filles.
Dans un ARN messager, quelle base remplace la thymine de l'ADN ?
- A.La guanine
- B.La cytosine
- C.L'uracileBonne réponse
- D.L'adénine
Réponse : C — L'uracile
Dans l'ARN, la thymine est remplacée par l'uracile (U). C'est une des trois différences chimiques entre ADN et ARN, avec le sucre (ribose au lieu de désoxyribose) et le nombre de brins (un seul au lieu de deux). L'uracile s'apparie avec l'adénine, exactement comme le faisait la thymine.
Le brin transcrit d'un gène porte la séquence TAC GGA. Quelle est la séquence de l'ARN messager correspondant ?
- A.AUG CCUBonne réponse
- B.AUG GGA
- C.ATG CCT
- D.UAC GGA
Réponse : A — AUG CCU
L'ARN messager est le complémentaire du brin transcrit, avec U à la place de T. On procède nucléotide par nucléotide : T donne A, A donne U, C donne G, puis G donne C, G donne C, A donne U. On obtient AUG CCU. La réponse « ATG CCT » est fausse car un ARN ne contient jamais de thymine, et « UAC GGA » consiste à recopier le brin en changeant seulement les T : c'est ce qu'on fait pour le brin NON transcrit, pas pour le brin transcrit.
Dans une molécule d'ADN double brin, l'adénine représente 30 % des nucléotides. Quel est le pourcentage de guanine ?
- A.30 %
- B.70 %
- C.20 %Bonne réponse
- D.40 %
Réponse : C — 20 %
Grâce à la complémentarité, chaque A fait face à un T : il y a donc autant de A que de T, soit 30 % de thymine. À eux deux, A et T représentent 30 + 30 = 60 % des nucléotides. Il reste 100 − 60 = 40 % à partager entre G et C, qui sont eux aussi en quantités égales. Donc G = 40/2 = 20 %. Répondre 40 %, c'est oublier de partager entre G et C ; répondre 30 %, c'est confondre la guanine avec la thymine.
Que signifie « la réplication de l'ADN est semi-conservative » ?
- A.Seule la moitié de l'ADN de la cellule est copiée à chaque cycle
- B.Chaque molécule d'ADN fille contient un brin parental et un brin néoforméBonne réponse
- C.Une des deux molécules filles est neuve, l'autre est entièrement ancienne
- D.La copie n'est fidèle qu'à 50 %, ce qui crée de la diversité
Réponse : B — Chaque molécule d'ADN fille contient un brin parental et un brin néoformé
Chaque brin de la molécule initiale sert de matrice pour fabriquer un brin complémentaire. Les deux molécules obtenues sont donc constituées, chacune, d'un brin ancien conservé et d'un brin nouvellement synthétisé : la moitié de chaque molécule est « conservée », d'où le terme. C'est exactement ce qu'a montré l'expérience de Meselson et Stahl. Attention : la copie est en revanche extrêmement fidèle, la réplication n'est pas une source volontaire de diversité.
Une protéine est constituée de 150 acides aminés. Combien de nucléotides comporte au minimum la partie codante de l'ARN messager correspondant, codon STOP compris ?
- A.450
- B.453Bonne réponse
- C.150
- D.50
Réponse : B — 453
Chaque acide aminé est codé par un codon, c'est-à-dire trois nucléotides : 150 × 3 = 450 nucléotides. Mais il faut ajouter le codon STOP, qui occupe lui aussi trois nucléotides sans coder d'acide aminé : 450 + 3 = 453. Répondre 450, c'est oublier le STOP demandé par l'énoncé ; répondre 50, c'est diviser par 3 au lieu de multiplier, ce qui reviendrait à croire qu'un nucléotide code trois acides aminés.
Quelle est la conséquence principale de l'épissage alternatif ?
- A.Un seul gène peut être à l'origine de plusieurs protéines différentesBonne réponse
- B.Le nombre de gènes d'une cellule augmente au cours de la vie
- C.L'ADN est réparé avant la division cellulaire
- D.Les mutations sont corrigées dans l'ARN messager
Réponse : A — Un seul gène peut être à l'origine de plusieurs protéines différentes
Lors de la maturation, les introns sont éliminés et les exons raboutés. Selon le type cellulaire ou le moment, certains exons peuvent être conservés ou au contraire éliminés : on obtient alors des ARN messagers différents à partir d'un seul et même gène, donc des protéines différentes. C'est une raison majeure pour laquelle nos quelque 20 000 gènes suffisent à produire un nombre bien supérieur de protéines. L'épissage ne crée pas de gènes et ne corrige aucune mutation.
Un neurone et une cellule musculaire d'une même personne ont des formes et des fonctions très différentes. Comment l'expliquer ?
- A.Chacune n'a reçu qu'une partie des gènes de la cellule-œuf
- B.Elles possèdent le même génome mais n'expriment pas les mêmes gènesBonne réponse
- C.Leur ADN a subi des mutations différentes au cours du développement
- D.Le code génétique n'est pas le même dans les deux types de cellules
Réponse : B — Elles possèdent le même génome mais n'expriment pas les mêmes gènes
Toutes les cellules d'un organisme descendent de la même cellule-œuf par mitoses successives, qui sont des divisions conformes : elles possèdent donc bien le même génome complet. Ce qui les distingue, c'est l'expression différentielle des gènes : dans chaque type cellulaire, seule une partie des gènes est transcrite et traduite. Le neurone exprime des gènes de protéines nerveuses, la cellule musculaire ceux de l'actine et de la myosine. Et le code génétique, lui, est universel : il est rigoureusement identique dans toutes les cellules de tous les êtres vivants.
Un ARN pré-messager compte 6 000 nucléotides. Après maturation, l'ARN messager n'en compte plus que 1 500. Quelle proportion du pré-messager correspondait aux introns ?
- A.25 %
- B.40 %
- C.75 %Bonne réponse
- D.20 %
Réponse : C — 75 %
Les nucléotides éliminés lors de l'épissage sont ceux des introns : 6 000 − 1 500 = 4 500 nucléotides. Leur proportion vaut 4 500 / 6 000 = 0,75, soit 75 %. Les 1 500 nucléotides restants sont ceux des exons, soit 25 % — c'est le piège de la première option, qui répond à la question inverse. Ce résultat n'a rien d'extravagant : chez l'être humain, les introns occupent effectivement la majeure partie de la plupart des gènes.
Le brin NON transcrit d'un gène porte la séquence ATG CAT GGA. Quelle est la séquence de l'ARN messager ?
- A.UAC GUA CCU
- B.AUG CAU GGABonne réponse
- C.TAC GTA CCT
- D.AUG GUA CCU
Réponse : B — AUG CAU GGA
Piège classique. Le brin transcrit est celui qui sert de matrice ; l'ARN messager en est donc le complémentaire. Or l'autre brin, le brin NON transcrit, est lui aussi le complémentaire du brin transcrit... il a donc exactement la même séquence que l'ARN messager, au détail près que les T sont remplacés par des U. Ici : ATG CAT GGA devient AUG CAU GGA. La première option est ce qu'on obtiendrait en prenant le complémentaire par réflexe, c'est-à-dire la séquence du brin transcrit converti en ARN — c'est l'erreur que fait la majorité des élèves. Vérification de cohérence : un ARNm fonctionnel commence par le codon initiateur AUG, ce qui est bien le cas de la bonne réponse.
Une cellule d'un organisme à 2n = 12 chromosomes vient d'achever sa phase S. Combien de molécules d'ADN contient-elle à ce moment, et combien chacune de ses deux cellules filles en contiendra-t-elle après la mitose ?
- A.12 molécules, puis 6 molécules par cellule fille
- B.24 molécules, puis 24 molécules par cellule fille
- C.24 molécules, puis 12 molécules par cellule filleBonne réponse
- D.12 molécules, puis 12 molécules par cellule fille
Réponse : C — 24 molécules, puis 12 molécules par cellule fille
Raisonnons en deux temps. Avant la phase S, la cellule a 12 chromosomes à une chromatide, donc 12 molécules d'ADN. La réplication donne à chaque chromosome deux chromatides, donc deux molécules d'ADN identiques : la cellule contient à présent 12 × 2 = 24 molécules d'ADN, tout en n'ayant toujours que 12 chromosomes. Pendant l'anaphase de mitose, les deux chromatides de chaque chromosome sont séparées et tirées vers des pôles opposés : chaque cellule fille reçoit donc 12 chromatides, soit 12 molécules d'ADN, réparties sur 12 chromosomes. La mitose est bien conforme : les cellules filles retrouvent exactement l'état de départ. L'option qui annonce 6 molécules confond mitose et méiose : ce n'est pas ici que le nombre de chromosomes est divisé par deux.
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