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CLASSE DE 1re S - DURE 3H00
DST DE SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE
CALCULATRICES INTERDITES
1) RESTITUTION ORGANISE DES CONNAISSANCES (8 PTS)
Le cycle cellulaire est marqu par deux grandes tapes : la
duplication de lADN et la mitose.
Montrez comment la duplication de lADN et la mitose se compltent
afin les cellules filles soit des copies conformes de la
cellule-mre qui leur donne naissance.
(Noubliez pas de faire un plan).
Introduction.
Le cycle cellulaire est lensemble des tapes de la vie dune
cellule, depuis sa naissance lissue dune mitose jusqu la fin de sa
division en deux cellules filles. Le cycle cellulaire comprend deux
grandes phases : linterphase et la mitose ; linterphase tant
subdivis en phases G1, S, G2. Cest au cours de la phase S qu lieu
la duplication du matriel gntique.
Nous verrons comment duplication et mitose se compltent pour
assurer une reproduction des cellules-filles conformes la
cellule-mre.
La duplication.
La duplication (ou rplication) de lADN se fait par ouverture de
la double chane dADN. Les bases adnine-thymine et guanine-cytosine
des deux chanes (ou des deux brins) sont spares et il y a
incorporation de nuclotides nouveaux sur chaque chane ouverte par
complmentarit avec les nuclotides anciens. Il se forme ainsi une
nouvelle molcule dans laquelle un brin est ancien et lautre est
nouveau ; on dit que la rplication est semi-conservative.
Les mcanismes de rplication sont assurs par des complexes
enzymatiques (ADNpolymrase, ADNrparase...). Lobservation
microscopique montre que plusieurs enzymes travaillent simultanment
sur la duplication ; il se forme alors des yeux de rplication qui
grossissent et fusionnent.
Schma montrant la duplication dune molcule dADN
Les deux molcules noformes contiennent des informations
rigoureusement identiques et rigoureusement identiques aux
informations de la molcule mre. Elles formeront les deux
chromatides du chromosome mtaphasique.
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La mitose
La mitose est une division cellulaire au cours de laquelle une
cellule-mre donne naissance deux cellules-filles. Cest un phnomne
continu dune dure dune heure environ que lon dcoupe arbitrairement
en 4 phases : prophase, mtaphase, anaphase, tlophase.
Lorsque la cellule nest pas en division, elle est en repos
mitotique, elle est en interphase.
Prophase (avec schma) : Cest la phase la plus longue de la
mitose (30 mn environ). Grossissement du noyau ; Condensation de la
chromatine qui donne naissance des chromosomes forms de 2
chromatides runies par le centromre ; Disparition des nucloles ;
Disparition de lenveloppe nuclaire ; Apparition dun fuseau de
fibres achromatiques entre les deux ples de la cellule.
Mtaphase (avec schma): Positionnement des chromosomes au centre
de la cellule, le centromre dirig vers lintrieur de la cellule ;
ils se disposent sur une plaque quatoriale (plaque situe lquateur
de la cellule). Un fuseau kintochorien double le fuseau
achromatique.
Anaphase (avec schma): Les fibres kintochoriennes se
raccourcissent, ce qui entrane un clivage du centromre et la
sparation des chromatides de chaque chromosome. Les deux
chromatides deviennent des chromosomes fils qui scartent lun de
lautre et migrent vers des ples opposs.
Tlophase (avec schma): Les chromosomes fils sont arrivs aux ples
de la cellule et se dcondensent pour redonner de la chromatine ;
Formation dun noyau chaque ple avec rapparition de membrane
nuclaire ; Rapparition des nucloles ; Division du cytoplasme par
constriction dans le cas de cellules animales et par apparition
dune paroi paisse dans le cas de cellules vgtales.
La cytodirse marque la sparation des deux cellules filles.
Les deux cellules filles ainsi cres ont le mme nombre de
chromosomes que la cellule-mre qui leur a donn naissance ; elles
entrent en interphase.
Complmentarit de la duplication et de la mitose
A lissue de la duplication de lADN, les deux molcules noformes
contiennent des informations rigoureusement identiques et
rigoureusement identiques aux informations de la molcule mre. Elles
formeront les deux chromatides des chromosomes mtaphasiques.
Au cours de la mitose, les chromatides de chaque chromosome se
sparent et migrent vers des ples opposs.
Ainsi chaque cellule fille va recevoir un nombre de chromosomes
gal celui de la cellule-mre, contenant exactement les mmes
informations que la cellule-mre.
Conclusion.
La fcondation est lorigine dune cellule-uf qui, par mitoses
successives, donne naissance un organisme complet compos de
milliards de cellules. Linformation gntique contenue dans la
cellule uf est transmise intgralement toutes les cellules de
lorganisme. Quel processus permet la diffrenciation des cellules et
leur spcialisation ?
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2) EXPLOITATION DE DOCUMENTS (6 POINTS)
Problmatique :
LADN est la molcule qui dtient linformation gntique prsidant la
synthse des protines. Or lADN ne sort jamais du noyau et la synthse
des protines se fait dans le cytoplasme. Il doit donc exister une
molcule intermdiaire capable de transmettre les plans de
fabrication des protines depuis le noyau vers le lieu de
synthse.
1) En vous basant sur vos connaissances, mettez une hypothse sur
la nature de cette molcule intermdiaire (votre rponse doit exposer,
en 5 10 lignes, vos connaissances sur la structure du noyau).
Le noyau dune cellule prsente 2 types dacides nucliques : lADN
et lARN. LADN forme des amas accols la paroi nuclaire, ce sont les
amas de chromatine. LARN est diffus dans le nucloplasme et forme
des amas localiss plutt vers le centre de la cellule, ce sont les
nucloles.
LADN contient linformation gntique prsidant la synthse des
protines, mais ne sort pas du noyau. LARN pourrait-il tre cette
molcule intermdiaire capable dexporter linformation ?
2) Proposez une exprience permettant dprouver votre hypothse
(prcisez les modalits de lexprience, en 5 10 lignes, sans exposer
de rsultats).
Pour prouver cette hypothse, on peut utiliser un matriel
biologique simple, gros producteur de protines comme les cellules
acineuses de pancras. On effectue un pulse (une culture) de
quelques minutes avec un prcurseur radioactif caractristique de
lARN (on choisira luridine, nuclotide propre lARN). Le pulse est
suivi dune chasse en milieu froid cest dire que le matriel
biologique est replac dans un milieu contenant de luridine normale.
A intervalles de temps dfinis, on prlve des cellules et on effectue
une autoradiographie.
3) En 1951 Brachet montra cette relation. Les deux photographies
ci-dessous montre deux cellules :
la premire (a) cultive 15 minutes sur milieu chaud puis soumise
autoradiographie.
la seconde (b) cultive 15 minutes sur milieu chaud, puis 90
minutes sur milieu froid, puis soumise autoradiographie
Exploitez ces rsultats pour rpondre la problmatique.
On observe sur la photographie A des impacts de radioactivit
concentrs au niveau du noyau (et quelques impacts dans le
cytoplasme). Lapparition de radioactivit traduit lutilisation de
luridine chaude par la cellule, donc la fabrication dARN.
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On observe sur la photographie B la disparition de la
radioactivit dans le noyau en mme temps que lapparition dimpacts
dans le cytoplasme. Le matriel cellulaire ayant t plac en milieu
froid, la synthse nouvelle dARN nest plus visible et seule reste
prsente la radioactivit prcdente. Il sagit donc dun dplacement de
radioactivit donc un dplacement de lARN prcdemment synthtis. LARN
se dplace vers le cytoplasme.
En conclusion : lARN est synthtis dans le noyau (l o se trouve
lADN cest dire linformation gntique) et se dplace vers le
cytoplasme (l o a lieu la synthse des protines). Bien que cette
exprience ne montre pas que lADN sert de matrice lARN, non plus que
lARN migre trs prcisment vers le rticulum endoplasmique, lieu de
synthse des protines, lARN tant la seule molcule du noyau en plus
de lADN, il est vraisemblable quelle est la molcule intermdiaire
transmettant les plans de fabrication des protines.
3) RSOLUTION DUN PROBLME (6 POINTS)
Lorsquune cellule est cultive dans un milieu contenant de la
BrdU (bromodsoxyuridine), cette substance est incorpore lors de la
synthse de lADN la place des nuclotides thymine. A chaque
rplication de lADN dans ce mme milieu les nouveaux brins forms sont
ainsi dpourvus de thymine (remplace par la BrdU).
Cette incorporation de BrdU a une consquence observable si on
traite les chromosomes mitotiques par le colorant de Giemsa : les
chromatides sont trs peu colores si leur ADN a incorpor la BrdU sur
les deux brins ; en revanche elles sont normalement colores si un
seul brin de leur ADN a incorpor de la BrdU.
Des cellules de hamster, cultives jusque l sur un milieu normal,
sont prleves en tout dbut dinterphase puis placs dans un milieu de
culture o la thymine est remplace par la BrdU. Au cours dun des
cycles cellulaires suivants, une observation des chromosomes en
mitose est ralise aprs coloration au Giemsa (voir dessin).
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1) Schmatisez la structure dune portion de la molcule dADN au
dbut de lexprience (en interphase, avant culture sur BrdU -
choisissez arbitrairement une squence dune dizaine de paires de
bases).
ATAGCTATGCTTTAAA
TATCGATACGAAATTT
2) A laide de schmas, expliquez le devenir de cette molcule dans
le milieu de culture contenant la BrdU (vous reprsenterez la BrdU
en rouge), pendant 1 cycle cellulaire jusqu la mtaphase.
En phase G1, lADN est une molcule double brin.
ATAGCTATGCTTTAAA
TATCGATACGAAATTT
En phase S, lADN Il y a synthse de 2 nouveaux brins, par
complmentarit avec les brins anciens, la BrdU remplaant la
thymidine :
CTTTAAA
GAAABrBrBr
ATAGCTATG
TATCGATAC
GAAABrBrBr
CTTTAAA
En phase G2, lADN a t entirement dupliqu et il y a 2 molcules
identiques qui formeront les chromosomes mtaphasiques :
ATAGCTATGCTTTAAA _____________________
BrABrCGABrACGAAABrBrBr _____________________
symbolisation :
BrABrCGABrACGAAABrBrBr _______________________________
TATCGATAC CTTTAAA _______________________________
3) Indiquez quel moment prcis et au cours de quel cycle
cellulaire a t ralise lobservation traduite par le dessin Si vos
explications doivent saccompagner de schmas complmentaires, vous
pourrez simplifier vos schmas et reprsenter les brins sous forme de
traits ; vous utiliserez la couleur rouge pour les brins BrdU.
Il faut que les deux brins aient incorpor la BrdU pour que la
chromatide soit colore. Ce nest pas le cas ici, donc ce nest pas en
mtaphase de 1re mitose que la photo a t prise.
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A la fin de la premire mitose, les chromatides se sparent et
chaque cellule fille est pourvue du mme type de chromosome :
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En prolongeant la culture sur milieu BrdU, les deux nouveau
brins seront marqus leur tour et donneront naissance des
chromosomes mtaphasiques diffrents :
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Lune des chromatide ayant 2 brins BrDu apparatra colore et
lautre non.
Ceci est conforme lobservation, donc la photographie a t ralise
en mtaphase la 2me mitose.
4) Immdiatement aprs la division dessine ici, les cellules
filles sont replaces dans un milieu normal (milieu sans BrdU,
thymine normale). Dfinissez laspect (ou les aspects) prvisibles(s)
des chromosomes la division suivante.
Les cellules tant place dans un milieu sans BrdU, les nouveaux
brins synthtiss ne comporteront pas de BrdU. Aucune chromatide
naura ses 2 brins marqu par la BrdU et tous les chromosomes seront
normalement colors.
