Karamö, le prof virtuelLeçon 1 sur 49
La nature de l'information génétique
Je sais démontrer, à partir des expériences historiques, que l'information génétique est portée par le noyau et qu'elle est de nature chimique : l'ADN.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Définir information génétique, caractère héréditaire, gène et génome
- Montrer par des expériences (acétabulaire, transfert de noyau) que le noyau contient l'information génétique
- Analyser les expériences de Griffith, d'Avery et de Hershey et Chase pour prouver que l'ADN est le support de l'information génétique
- Rédiger une analyse de résultats expérimentaux au format du BAC
Avant de commencer : La cellule (noyau, cytoplasme, membrane), la notion de chromosome et la mitose vues en classes de 11e et 12e ; savoir ce qu'est une bactérie et un virus.
1Je découvre
Dans le Fouta-Djallon, Mamadou accompagne son grand-père au pâturage. Le troupeau est composé de vaches N'Dama, une race de bovins originaire de cette région de Guinée. Le grand-père explique fièrement : « Nos N'Dama résistent à la maladie du sommeil des bêtes, transmise par la mouche tsé-tsé. Les veaux naissent avec cette résistance, comme leurs parents. »
Mamadou, élève de Terminale SE, se pose une question : cette résistance n'est pas apprise, le veau l'a dès la naissance. Elle a donc été transmise par les parents, à travers une seule cellule, l'œuf. Cette cellule minuscule contient forcément des « instructions » pour construire un animal complet, avec sa couleur, sa taille, ses cornes et sa résistance aux maladies.
Mais où se trouvent ces instructions dans la cellule ? Dans le noyau, dans le cytoplasme ? Et de quoi sont-elles faites : de protéines, de sucres, d'acides nucléiques ? Au début du XXe siècle, beaucoup de biologistes pensaient que seules les protéines, très variées, pouvaient porter une information aussi riche. Des expériences célèbres ont tranché.
Où se trouve l'information génétique dans la cellule, et quelle molécule la porte ?
2Je comprends
1. Quelques définitions
- Un caractère héréditaire est un trait transmis des parents aux descendants : la couleur du pelage, le groupe sanguin, la résistance d'une race à une maladie.
- L'information génétique est l'ensemble des « instructions » contenues dans chaque cellule, qui déterminent les caractères héréditaires d'un être vivant et qui sont transmises d'une génération à l'autre.
- Un gène est une portion de cette information qui gouverne un caractère (ou participe à le gouverner).
- Le génome est l'ensemble de l'information génétique d'un organisme.
Pour savoir où se trouve cette information et de quoi elle est faite, il faut expérimenter.
2. Le noyau contient l'information génétique
a) Les expériences de mérotomie et de greffe chez l'acétabulaire. L'acétabulaire est une algue verte marine formée d'une seule cellule géante, de quelques centimètres de haut. Elle comprend un pied (rhizoïde) qui contient le noyau, un long pédoncule et un chapeau. Le chapeau a une forme différente selon l'espèce : en disque entier chez Acetabularia mediterranea, découpé en lobes chez Acetabularia crenulata.
Dans les années 1930, le biologiste Joachim Hämmerling réalise des expériences :
- si l'on coupe le chapeau, la cellule en régénère un nouveau, de la même forme ;
- un fragment de pédoncule sans noyau peut survivre un temps mais finit par mourir, alors que le pied avec son noyau régénère une algue entière ;
- si l'on greffe le pédoncule d'une espèce sur le pied (avec noyau) de l'autre espèce, le chapeau qui se forme finalement a la forme de l'espèce qui a fourni le noyau.
Conclusion : le noyau contient l'information qui détermine la forme du chapeau.
- 1On coupe le chapeau d'une acétabulaire de l'espèce A et on garde le pied, qui contient le noyau A
- 2On greffe sur ce pied un pédoncule sans noyau de l'espèce B
- 3Un nouveau chapeau pousse ; après une nouvelle section, les chapeaux suivants ont la forme de l'espèce A
- 4Conclusion : la forme du chapeau est commandée par le noyau
b) Le transfert de noyau chez un animal. Chez un amphibien, le xénope, des chercheurs (travaux de John Gurdon dans les années 1960) ont détruit le noyau d'un ovule, puis y ont injecté le noyau d'une cellule d'intestin de têtard d'une autre souche. Dans une partie des cas, un têtard puis une grenouille se sont développés, et ils possédaient les caractères de la souche qui avait donné le noyau, et non ceux de la souche qui avait donné l'ovule.
Conclusion : le noyau d'une cellule spécialisée contient toute l'information génétique nécessaire pour construire l'organisme entier.
c) La localisation dans les chromosomes. Des colorants spécifiques de l'ADN (comme le réactif de Feulgen) colorent le noyau, et plus précisément les chromosomes. De plus, la quantité d'ADN est la même dans toutes les cellules d'un individu, elle double avant une mitose et elle est divisée par deux dans les gamètes. Ce comportement est exactement celui que l'on attend du support de l'hérédité.
3. La nature chimique de l'information génétique : l'ADN
a) L'expérience de Griffith (1928) : la transformation bactérienne. Frederick Griffith étudie le pneumocoque, une bactérie responsable de pneumonies. Il en existe deux souches :
- Bactéries entourées d'une capsule
- Colonies lisses (S pour smooth)
- Virulente : la souris meurt
- Bactéries sans capsule
- Colonies rugueuses (R pour rough)
- Non virulente : la souris survit
| Injection à la souris | Résultat | Bactéries retrouvées dans le sang |
|---|---|---|
| 1. Pneumocoques S vivants | la souris meurt | S vivants |
| 2. Pneumocoques R vivants | la souris survit | aucune |
| 3. Pneumocoques S tués par la chaleur | la souris survit | aucune |
| 4. Pneumocoques R vivants + S tués par la chaleur | la souris meurt | S vivants |
Dans l'expérience 4, aucun des deux lots injectés n'est dangereux seul, et pourtant la souris meurt et on retrouve des pneumocoques S vivants. Des bactéries R ont donc été transformées en bactéries S. Cette transformation est héréditaire : les descendants de ces bactéries sont aussi des S.
Conclusion : un « principe transformant », venant des bactéries S mortes, a été capté par les bactéries R et leur a donné un nouveau caractère héréditaire (la capsule). Griffith ignore encore quelle est cette substance.
b) L'expérience d'Avery, MacLeod et McCarty (1944). Ces chercheurs purifient les constituants des bactéries S tuées et les mettent en présence de bactéries R, en culture. Ils traitent l'extrait par différentes enzymes qui détruisent chacune une catégorie de molécules :
| Extrait de bactéries S traité par… | Molécules détruites | Transformation des R en S ? |
|---|---|---|
| rien | aucune | oui |
| une protéase | protéines | oui |
| une ribonucléase (ARNase) | ARN | oui |
| une désoxyribonucléase (ADNase) | ADN | non |
Seule la destruction de l'ADN empêche la transformation.
Conclusion : le principe transformant est l'ADN. L'ADN porte l'information génétique.
c) L'expérience de Hershey et Chase (1952). Alfred Hershey et Martha Chase utilisent un bactériophage (virus qui infecte les bactéries), le phage T2. Il est formé uniquement d'une enveloppe de protéines (capside) et d'une molécule d'ADN. Pour produire de nouveaux virus, le phage doit faire entrer dans la bactérie son information génétique.
Ils marquent les molécules avec des éléments radioactifs :
- le soufre 35 (35S), présent dans les protéines mais absent de l'ADN ;
- le phosphore 32 (32P), présent dans l'ADN mais presque absent des protéines.
Après l'infection, ils agitent fortement le mélange pour détacher les enveloppes vides des virus, puis centrifugent : les bactéries tombent au fond (culot), les enveloppes restent dans le liquide (surnageant).
| Marquage | Où se trouve la radioactivité ? | Interprétation |
|---|---|---|
| 35S (protéines) | surtout dans le surnageant | les protéines restent à l'extérieur |
| 32P (ADN) | surtout dans les bactéries (culot) | l'ADN entre dans la bactérie |
Or ce sont les bactéries infectées qui produisent ensuite des centaines de nouveaux phages complets, avec leurs protéines.
Conclusion : c'est l'ADN, et non les protéines, qui entre dans la bactérie et qui porte l'information permettant de fabriquer de nouveaux virus.
4. Bilan
Chez tous les êtres vivants cellulaires (bactéries, végétaux, animaux, êtres humains), l'information génétique est portée par l'ADN (acide désoxyribonucléique). Chez les eucaryotes, l'ADN est dans le noyau, associé à des protéines pour former les chromosomes ; chez les bactéries, il forme un chromosome circulaire libre dans le cytoplasme. Certains virus, comme le virus de l'immunodéficience humaine (VIH), ont une information génétique portée par de l'ARN. La structure de l'ADN est étudiée dans la leçon suivante.
Méthode
Pour analyser une expérience historique au BAC :
- Je présente brièvement le matériel et le but (quelle question on se pose).
- Je décris les résultats en comparant l'expérience à un témoin (« alors que… »).
- J'interprète : ce qui a changé entre les deux lots explique la différence de résultat.
- Je conclus par une phrase qui répond à la question posée (ici : où et de quelle nature est l'information génétique).
Exemple
Analyse de l'expérience 4 de Griffith (rédigée comme au BAC).
Constat : la souris qui reçoit des pneumocoques R vivants et des S tués meurt, alors que les R vivants seuls et les S tués seuls ne la tuent pas. On retrouve des S vivants dans son sang.
Interprétation : les S tués ne peuvent pas se multiplier ; les S vivants retrouvés proviennent donc des bactéries R, qui ont acquis la capsule. Une substance des S morts a transformé les R en S, et ce nouveau caractère est transmis à leur descendance.
Conclusion : il existe un principe transformant qui porte une information héréditaire et peut passer d'une bactérie à une autre.
Exemple
Analyse de l'expérience de Hershey et Chase.
Constat : avec les phages marqués au ³²P, la radioactivité se retrouve dans les bactéries ; avec les phages marqués au ³⁵S, elle reste dans le surnageant.
Interprétation : le ³²P marque l'ADN et le ³⁵S marque les protéines. Seul l'ADN pénètre dans la bactérie. Pourtant la bactérie fabrique ensuite des phages complets, protéines comprises.
Conclusion : l'ADN contient l'information nécessaire à la fabrication de nouveaux virus ; il est le support de l'information génétique.
3Je retiens
Je retiens
L'information génétique est l'ensemble des instructions qui déterminent les caractères héréditaires ; elle se transmet de génération en génération.
Acétabulaire (greffes) et transfert de noyau : le noyau contient l'information génétique.
Griffith (1928) : des pneumocoques R sont transformés en S par une substance des S tués (principe transformant).
Avery, MacLeod et McCarty (1944) : seule l'ADNase empêche la transformation, donc le principe transformant est l'ADN.
Hershey et Chase (1952) : l'ADN (marqué au ³²P) entre dans la bactérie, les protéines (³⁵S) restent dehors.
Conclusion : l'ADN est le support de l'information génétique ; chez les eucaryotes, il est dans le noyau, dans les chromosomes.
4Erreurs fréquentes
- Dire que Griffith a montré que l'ADN est le support de l'hérédité : il a seulement découvert la transformation ; c'est Avery et ses collègues qui ont identifié l'ADN.
- Inverser les marquages de Hershey et Chase : le soufre marque les protéines (acides aminés soufrés), le phosphore marque l'ADN (groupements phosphate).
- Décrire les résultats sans les comparer : au BAC, on compare toujours à un témoin (« alors que… ») avant d'interpréter.
- Oublier la nuance : chez certains virus, l'information génétique est portée par l'ARN, pas par l'ADN.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis : information génétique, caractère héréditaire, gène, génome.
b) Cite les deux souches de pneumocoques utilisées par Griffith et leurs différences.
c) Pourquoi Hershey et Chase ont-ils utilisé le soufre 35 et le phosphore 32 ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) L'information génétique est l'ensemble des instructions, contenues dans chaque cellule, qui déterminent les caractères héréditaires d'un être vivant et se transmettent de génération en génération. Un caractère héréditaire est un trait transmis des parents aux descendants. Un gène est une portion de l'information génétique qui gouverne un caractère. Le génome est l'ensemble de l'information génétique d'un organisme.
b) La souche S : bactéries à capsule, colonies lisses, virulentes (la souris meurt). La souche R : bactéries sans capsule, colonies rugueuses, non virulentes.
c) Le soufre est présent dans les protéines mais pas dans l'ADN ; le phosphore est présent dans l'ADN mais presque pas dans les protéines. Ces deux marqueurs permettent donc de suivre séparément les protéines et l'ADN du virus.
2Exercice 2
(Acétabulaire) On sectionne une acétabulaire de l'espèce A. crenulata (chapeau lobé) en trois fragments : le chapeau, le pédoncule et le pied contenant le noyau. Le chapeau meurt rapidement ; le pédoncule survit plusieurs semaines sans jamais se reproduire, puis meurt ; le pied régénère une algue complète avec un chapeau lobé.
a) Quel fragment contient le noyau ?
b) Que peux-tu conclure de ces résultats ?
c) Prévois le résultat d'une greffe d'un pédoncule d'A. mediterranea sur un pied d'A. crenulata, après plusieurs régénérations. Justifie.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) Le pied (rhizoïde) contient le noyau.
b) Seul le fragment qui possède le noyau survit durablement et régénère une algue complète, avec un chapeau de la forme de son espèce. Le noyau est donc indispensable à la vie et à la régénération de la cellule, et il contient l'information qui détermine la forme du chapeau.
c) Après plusieurs régénérations, le chapeau sera lobé, comme celui d'A. crenulata, car c'est cette espèce qui fournit le noyau. (Le premier chapeau peut avoir une forme intermédiaire, car le pédoncule contient encore des substances fabriquées sous le contrôle de l'ancien noyau ; elles s'épuisent ensuite.)
3Exercice 3
(Transformation) On injecte à une souris un mélange de pneumocoques S tués par la chaleur et de pneumocoques R tués par la chaleur.
a) Prévois le résultat. Justifie.
b) Quelle condition indispensable manque pour que la transformation ait lieu ?
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a) La souris survit : les bactéries R tuées ne peuvent ni se multiplier ni être transformées, et les S tuées ne se multiplient pas non plus. Aucune bactérie vivante et virulente n'apparaît.
b) Il faut des bactéries R vivantes, capables de capter le principe transformant, de l'intégrer et de se multiplier.
4Exercice 4
(Exploitation d'un tableau) Reprends le tableau des expériences d'Avery, MacLeod et McCarty dans la partie « Je comprends ».
a) Quel est le rôle du lot sans enzyme ?
b) Pourquoi la protéase ne suffit-elle pas à écarter l'hypothèse de l'ADN ?
c) Rédige la conclusion de ces expériences en une phrase.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) C'est le témoin : il montre que l'extrait de S, sans traitement, transforme bien les R. On peut ainsi attribuer toute différence au traitement enzymatique.
b) La protéase détruit les protéines, mais la transformation a toujours lieu : les protéines ne sont donc pas le principe transformant. Ce résultat ne dit rien contre l'ADN, qui reste intact dans ce lot.
c) Seule la destruction de l'ADN supprime la transformation : le principe transformant, donc le support de l'information génétique, est l'ADN.
5Exercice 5
(Type BAC) On réalise deux cultures de bactéries infectées, l'une par des phages T2 dont les protéines sont marquées au ³⁵S, l'autre par des phages T2 dont l'ADN est marqué au ³²P. Après quelques minutes, on agite fortement, on centrifuge et on mesure la radioactivité. Résultats simplifiés :
| Culture | Radioactivité dans le surnageant | Radioactivité dans le culot (bactéries) |
|---|---|---|
| Phages marqués au ³⁵S | 80 % | 20 % |
| Phages marqués au ³²P | 30 % | 70 % |
Dans les deux cas, les bactéries libèrent environ trente minutes plus tard de nombreux nouveaux phages.
a) Pourquoi agite-t-on le mélange avant de centrifuger ?
b) Analyse les résultats.
c) Explique pourquoi il reste un peu de ³⁵S dans le culot et un peu de ³²P dans le surnageant.
d) Montre que ces résultats confirment la conclusion d'Avery.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) L'agitation détache des bactéries les enveloppes (capsides) des phages restées fixées à l'extérieur, pour que la centrifugation sépare ce qui est entré dans les bactéries (culot) de ce qui est resté dehors (surnageant).
b) Avec le marquage au ³⁵S, la plus grande partie de la radioactivité (80 %) est dans le surnageant, alors qu'avec le marquage au ³²P, la plus grande partie (70 %) est dans le culot. Les protéines du phage restent donc surtout à l'extérieur des bactéries, tandis que l'ADN pénètre à l'intérieur.
c) L'agitation n'est pas parfaite : quelques capsides restent collées aux bactéries (d'où 20 % de ³⁵S dans le culot), et quelques phages n'ont pas injecté leur ADN ou certaines bactéries se sont déjà brisées (d'où 30 % de ³²P dans le surnageant).
d) Seul l'ADN pénètre dans la bactérie, et pourtant celle-ci fabrique de nouveaux phages complets, avec leur ADN et leurs protéines. L'ADN contient donc toute l'information nécessaire : il est le support de l'information génétique, comme l'avait montré Avery avec la transformation bactérienne.
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