Chapitre 1 – De la cellule au noyau et à l’adn support de l’hérédité








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titreChapitre 1 – De la cellule au noyau et à l’adn support de l’hérédité
date de publication20.01.2018
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Chapitre 1 – De la cellule au noyau et à l’ADN support de l’hérédité.

I- Introduction
Différentes dates concernant les découvertes de la cellule et de ses constituants.
- 1869 : Friedrich Micher découvre l’ADN.
- 1900 : Découverte de la constitution des acides nucléiques et de la complémentarité.
- 1920 : Différenciation ADN / ARN
- 1928/1935 : Liaison chimique par Linus Pauling.
- 1950 : Erwin Chargaff découvre que la composition en base de l'ADN varie d'un organisme à l'autre mais les rapports A/T et G/C sont quasiment égaux et proche de 1.
- 1953 : Watson & Crick découvre la formation en double hélice de l’ADN en s’appuyant sur les travaux de Franklin et Wilkins.

II – Localisation de l’information génétique
A) Information génétique dans le noyau
1- Expérience sur les souris
- L’information génétique a été découverte par une expérience conduite chez des souris.
- Le principe est très simple :
- On prend un noyau de cellule germinale d’une souris blanche.
- On instaure ce noyau dans un ovule (délaissé de son propre noyau) d’une souris noire.
 A l’aide d’une pipette.
- On injecte le Blastocyste dans l’Utérus d’une souris porteuse.
- La souris naissante est de couleur blanche.

2 - Conclusion
- C’est donc le noyau qui porte l’information génétique et qui a donc déterminé la couleur de la souris naissante.
- La souris porteuse n’a pas d’effet sur le devenir de l’embryon.

3 - Définition
- Vitellus : Substance de réserve dans les vacuoles de la partie nutritive de l’œuf.
- Cellule Germinale : Cellule reproductrice.
- Ex-Vivo : Expérimentation sur une cellule vivante mise en culture.
- Phénotype : Manifestation de la constitution du génome sous la forme d’un trait morphologique.

B) Utilisation par la cellule de l’information contenue dans le noyau
Jusqu’à quel point le noyau peut réorienter le destin (d’un tissu par exemple) ?

1 - Expérience sur les acétabulaires (algues cellulaire)
- Les acétabulaires sont des algues qui ont la particularité d’avoir un noyau qui est éloigné de certaines parties du corps de l’algue.
- Lorsque l’on coupe les acétabulaires en portions, seules la portion contenant le noyau est en mesure de résister et de générer une algue complète.
 C’est cette capacité régénérative qui indique la présence de l’information génétique dans le noyau.
- Lorsque l’on coupe en plusieurs portions une acétabulaire et qu’on transplante le noyau dans une portion qui ne contenait pas le noyau initialement, on remarque que cette portion persiste et génère une nouvelle algue.
- De plus, lorsqu’on croise 2 sortes d’acétabulaire en faisant la même transplantation que précédemment, on constate que l’algue nouvelle est de la sorte dont le noyau provient. 2 – Conclusion
- La cellule utilise l’information génétique du Noyau.
- Deux noyaux identiques provenant de cellule issues de la différence d’une cellule unique vont donner deux individus identiques

3 – Définitions
Clonage moléculaire : Recombinaison in vitro d’un gène et par extension d’une molécule d’ADN.

Clonage de la Brebis « Dolly » (1996-2003) :
- Le principe est le même que décrit précédemment chez les souris. Cependant, on a inséré une cellule non pas germinale mais une cellule d’une glande mammaire.

III – Nature chimique
A) Transformation des bactéries et découverte de la substance transformante
1 – Expérience de Frederick Griffith
- Griffith a utilisé deux souches de Pneumocoque : R (inoffensive) et S (Virulente) qu’il a injecté chez des souris dans des conditions différentes.

Nature de l’injection chez la souris

Conséquences sur la Souris.

Souche S

MORT

Souche R

SURVIE

Souche S tuée par la chaleur

SURVIE

Souche S tuée par la Chaleur + Souche R

MORT


2 – Conclusion de l’expérience
- Un principe actif de la souche S a converti la souche R en la rendant pathogène.
- La souche S vivante ne peut convertir la souche R car la capsule polysaccharidique est fermée et donc la transmission de l’ADN souche S sur la souche R ne peut se faire. Cependant, une fois la souche S tuée, la conversion peut se faire.
- On en déduit donc qu’il existe une substance transformante qui participe à la « Pathogénisation » de la souche R par la souche S. Cette substance c’est un gène !
B) Découverte de la fonction d’un gène.
- De nouvelles expérience ont permis d’énoncer le fait que : «  1 gène = 1 Protéine »
1 – Expérience d’Archibald Edward Garrot
- Archibald Garrot est un médecin qui a étudier l’alcaptonurie.
- Cette maladie provoque une atteinte au niveau du métabolisme de la Phénylalanine et de la Tyrosine ce qui engendre un excès d’acide Homogentisique qui colore les urines en noir.
- L’Alcaptonurie est une maladie récessive (d’origine héréditaire) qui est provoquée par un déficit en une enzyme : l’Homogentisate dioxygénase.

Conclusions :
- Grâce à ces travaux sur cette maladie, Archibald Garrot est le premier à faire une relation entre Enzyme et Gène.
- Il a fait son observation sur des patients qui n’étaient pas nombreux et il n’a pas démontré de manière équivoque.

2 – Expérience d’Hermann Muller
- Hermann Müller à étudier l’action des rayons X sur des êtres biologiques.
- Le Principe de l’expérience est de bombarder les levures de rayons X afin d’induire des mutations et de voir ensuite le phénotype qui en résulte.

Métabolisme AVANT Traitement

Métabolisme APRES Traitement

Molécule précurseur  Ornithine  Citrudine  Arginine

Levure plus capable de pousser milieu minimum


- La Question que s’est posée Hermann, c’est savoir précisément quelle portion de la cascade réactionnelle est perturbée par les rayons X.
- Müller a donc décidé d’ajouter de l’Ornithine à une culture de cellules. Suite à cette addition, certaines cellules ont pu fabriquer de l’Arginine. Ensuite, il a ajouté de la Citrudine et d’autres cellules ont également pu fabriquer de l’Arginine.

Conclusions
- Les rayons X ont donc induits la mutation d’un ou plusieurs gène chez différentes cellules ce qui a bloqué la synthèse d’Arginine à plusieurs niveaux.

3 – Expérience d’Hersher et Chase – The Blender Experiment
- A la même époque Hersher et Chase essaie de démontrer que l’ADN est la substance transformante.
- Le principe de l’expérience est l’introduction d’un phage (virus) sur la membrane d’une bactérie.
- Cette rencontre va aboutir à l’injection de l’ADN du phage dans la bactérie qui va exprimer cet ADN. On obtiendra dès lors des plages de lyse. (Càd un trou dans la membrane bactérienne suite à l’injection de l’ADN Phagique.)
-Pour savoir le rôle des composants phagiques, les chercheurs utilisent la marquage isotopique.
- Le Soufre 35 (35S) va marquer radio-activement une protéine de la capside du phage. Si cette protéine est synthétisée par la bactérie, elle sera marquée par cet isotope.
- Le Phosphore 32 (32P) est incorporé à l’ADN du Phage. Tout l’ADN phagique synthétisé par la bactérie sera marqué au 32P et sera visible dans la bactérie.
- Suite à la fixation, on passe le tout au mixeur (« Blender » en anglais) pour effectuer une agitation mécanique qui va détacher les virus de la bactérie.
- Après le Blender, on passe à la Centrifugation. On sépare donc les composants en deux fractions :
- Les éléments les plus lourds dans le culot (bactérie)
- Les éléments les plus légers dans le surnageant (Phages)

Constatations

Culot (Bactérie)

Surnageant (Phage)

Phosphore 32

OUI

NON

Soufre 35

NON

OUI


Conclusions :
- Pour que l’information génétique du virus soit utilisée par la bactérie, il faut faire entrer l’ADN du phage dans la bactérie mais pas le virus lui-même.
- Les protéines ne servent pas à rien, mais elles servent de véhicule passif dans le transport de l’ADN vers la bactérie. Mais elles ne jouent pas de rôle dans la croissance des phages dans les bactéries.

4 – Définitions
Phage (Abréviation de « Bactériophage ») : Virus intégrant une bactérie.
Plage de Lyse : Trou formé dans la membrane d’une bactérie suite à l’intégration d’un ADN Phagique.
Centrifugation : Méthode de Séparation des constituants d’une solution. Le principe est de faire tourner à haute vitesse des tubes contenant la solution. La gravité étant augmentée, la sédimentation des éléments s’initie avec les éléments les plus lourds qui migrent le plus loin.

IV – ADN support de l’information génétique
A) Introduction.
- Linus Pauling : La personne qui a décrit la liaison chimique, la façon dont les liaisons se forment. Sans ses travaux, il n’aurait pas été possible de déduire la structure de l’ADN. C’est un des seuls scientifiques qui a été récompensé de 2 Prix Nobel.

B) Découverte et composition chimique de la nucléine.
1 - Expérience de Pauling
- Récupération des Globules blancs et isolement d’une substance dans ces GB : la Nucléine.
-Composition de l’ADN :
- Sucre à 5 riboses.
- Phosphate acide.
- 5 types de bases azotées.
- Erwin Chargraff est le scientifique qui a précisé que la proportion de A et de T était identique. Tout comme les proportions de G et de C.
2 - Composition chimique de l’ADN :
2.1 - Les Bases azotées

2.1.1 – Les Purines (A & G)
- Contiennent 2 cycles
- Ont une structure plane
2.1.2 - Les Pyrimidines (U, T & C)
- Méthyl transferase : Enzyme qui ajoute des groupements méthyles

2.2 – Les Sucres
- 5 carbones
- Le Désoxyribose (dérivé du Ribose – Présent dans l’ARN)
- Le Ribose possède une fonction Hydroxyle (- OH) supplémentaire en position 2’ par rapport au désoxyribose. C’est d’ailleurs cette absence de fonction hydroxyle sur le Désoxyribose qui permet la formation en double hélice de l’ADN.
- La base est accrochée sur le premier carbone du ribose

2.3 – Les Phosphates
- Ils sont au nombre de 3 dans l’ADN : α, β & γ.
- Lorsque l’on marque l’ADN au Phosphate radioactif, on marque souvent le Phosphate γ.
- L’ADN présente un sens :
- Extrémité 5’ : Carbone 5’ Phosphate.
- Extrémité 3’ : Fonction Hydroxyle du Ribose.


C) Nature de la liaison chimique et Diffraction des rayons X.
- Max Van Laue, a découvert qu’en tirant des rayons X sur des cristaux simples, on diffracter ces rayons X.
- John Desmond a réussi à cristalliser des protéines par augmentation lente de la solution saline. A la suite de cette cristallisation, Desmond a eu l’idée de bombarder ces protéines par des rayons X. Par l’étude de la déviation des rayons, il a réussi à observer la forme de protéine.
- Rosalind Franklin a eu la même idée que Desmond, mais pour mettre en évidence la structure de l’ADN.
- Malheureusement, Franklin est passée à la trappe et ce sont Watson et Crick qui se sont vus attribués le Nobel pour la découverte de a formation en double hélice de l’ADN. Watson et Crick ont publié également des articles ils font les suppositions suivantes :
- Les chaines de l’ADN sont complémentaires.
- Il existe un mécanisme de copiage précis du patrimoine génétique.
- C’est la formation de liaisons Hydrogène qui donne vraiment la cohésion entre les 2 hélices d’ADN.
- Les Forces d’interaction électrostatique contribuent à la stabilité de la molécule d’ADN.

Principe caractéristiques de la forme B de l’ADN selon Watson et Crick
- 2 brins de poly-nucléotide qui s’enroulent autour d’un axe commun. L’hélice tourne vers la droite et fait 2 nm de diamètre. Si je vais au sommet de l’hélice, j’aurais un 5’Phosphate et un 3’OH.
- Les plans des bases sont à peu près perpendiculaires.
- Chaque base est reliée par les liaisons H) une base du brin opposé pour former une paire de 2 base sur un même plan.
- L’hélice d’ADN présente 10 paires de bases (pb) après tour d’hélice ce qui a correspond à une torsion de 36° par pb.
- Puisque les noyaux aromatiques de bases ont une épaisseur de Van der Walls de 0,34 nm et que les bases sont empilées les unes sur les autres, le pas de l’hélice est de 34 nm.
- L’ADN est anti parallèle. C’est-à-dire qu’il y a une orientation inverse des brins complémentaires de l’ADN.
- Il existe sur l’ADN un sillon majeur (sur lequel se fixent majoritairement les protéines) et sillon mineur.
- La complémentarité des bases est telle que :
- La formation AT est faite par 2 liaisons H.
- La formation GC est faite par 3 liaisons H.

- La molécule d’ADN est chargée négativement. Ceci va avoir un intérêt dans les liaisons avec des composants externes.
- La protéine peut rentrer en contact avec l’ADN dans le GRAND sillon (c’est souvent le lieu de rencontre.) De temps en temps elle forme une pince qui coince l’ADN.
 Selon la composition en base de l’ADN la protéine se fixe plus ou moins bien.

Rappel :
- Liaison covalente : Partage d’électrons entre 2 atomes.
- Simple ou double liaison (Triple liaison assez rare.)
- Liaison ionique : Complémentarité de charge et de structure.
- Liaison hydrogène : H accroché à un atome électronégatif et relié à un autre atome électronégatif.
- Elles sont 20 fois moins fortes que les liaisons covalentes.
- Il faut bouillir à plus de 100°C pour les casser.
- Elle mesure 0,3 nm.
- Forces de Van der Walls : Interactions électrostatiques. Ces forces de VDW sont faites de sorte que 2 atomes voisins peuvent faire des liaisons entre électron et charges + localisées dans le noyau.
- Liaison Hydrophobes : Pour les molécules non polaires insolubles dans l’eau. La force hydrophobe est la force qui pousse ces molécules à se regrouper.



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