La nature et la structure moléculaire de l’information génétiquePartie 2 – La découverte de l’ADN

Le modèle de Watson & Crick

Rappels : quelles sont les pièces du puzzle ‘ADN’?

Rappel: l’ADN, les pièces du puzzle

• Le support de l’information génétique est l’ADN – support universel

• Les acides nucléiques sont composées de séries de nucléotides : Adénine, Thymine, Cytosine, Guanine – ATCG

• L’ADN est composé de 2 brins, 2 séries de nucléotides

• Les nucléotides sont appariés d’un brin à l’autre selon les règles de Chargaff : A=T; G=C

• La diffraction aux rayons X montre que l’ADN a une structure de double hélice, dont on peut caractériser finement la géométrie

Maintenant que les pièces du puzzle sont identifiées, comment les assembler en un modèle structural de molécule d’ADN?

Le modèle de la molécule d’ADN

Watson & CrickLes scientifiques qui ont résolu le puzzle de l’ADN :Ils ont fait la synthèse de l’ensemble des contraintes établies précédemment en un modèle de molécule cohérent

https://planet-vie.ens.fr/thematiques/cellules-et-molecules/molecules/lettre-de-francis-crick-a-son-fils-1953

Retrouver les caractéristiques de la molécule d’ADN avec le logiciel libmol

•Accédez à https://libmol.org/ ;

•Entrez le mot-clé « ADN » ;

•Choisissez « ADN 14 paires de bases »

OBJECTIFS PRINCIPAUX:

•Identifiez la structure générale de l’ADN ;

•Déterminez la taille de l’ADN (largeur)

Interface de Libmol

Interface de Libmol

visualiser l’ADN en 3D grâce au logiciel libmol

https://libmol.org/ L’ADN sous tous ces angles, avec tous les modes de représentation possibles!

GUIDE - EXPLORATION DE LA MOLECULE D’ADN

• 1) Quels sont les atomes composant la molécule d’ADN?

• 2) Combien y-a-t-il de brins d’ADN dans la molécule?

• 3) Les bases azotées sont –elles à l’intérieur ou àl’extérieur du squelette de la molécule?

• 4) A quelle base l’Adénine est-elle associée sur le brin luifaisant face?

• 5) A quelle base la Cytosine est-elle associée sur le brinlui faisant face?

• 6) Comment l’ordre des bases azotées sur un brindétermine l’ordre des bases le long du second brin?

• 7) A quoi correspond le code génétique? In fine, à quoicorrespond un gène du point de vue moléculaire?

• 8) A l’aide de l’outil mesure (en haut à droite de l’écran),déterminez : -le pas de l’hélice – la distance entre 2bases appariées sur le même plan – le diamètre de ladouble hélice – l’angle d’inclinaison de l’hélice parrapport à l’horizontal

• 9) Enfin, réalisez sur une pleine page un dessin légendéde la molécule d’ADN

Retrouver les caractéristiques de la molécule d’ADN avec le logiciel libmol

Adénine Thymine

LES BASES AZOTEES

Cytosine Guanine

Groupe Phosphate

Ribose pas

Angle inclinaison

diamètre

GUIDE - EXPLORATION DE LA MOLECULE D’ADN

• 1) Quels sont les atomes composant la molécule d’ADN?

Carbone, Oxygène, Azote, Hydrogène

• 2) Combien y-a-t-il de brins d’ADN dans la molécule? 2

• 3) Les bases azotées sont –elles à l’intérieur ou àl’extérieur du squelette de la molécule? Vers l’intérieur

• 4) A quelle base l’Adénine est-elle associée sur le brin luifaisant face? Thymine

• 5) A quelle base la Cytosine est-elle associée sur le brinlui faisant face? Guanine

• 6) Comment l’ordre des bases azotées sur un brindétermine l’ordre des bases le long du second brin? Lesbrins auront la même séquence mais de façonantiparallèle (‘en sens contraire’)

• 7) A quoi correspond le code génétique? In fine, à quoicorrespond un gène du point de vue moléculaire? Ungène est une série (séquence) de nucléotides (environ100 à 1000 nucléotides par gène)

• 8) A l’aide de l’outil mesure (en haut à droite de l’écran),déterminez : -le pas de l’hélice 3,4 nm– la distance entre2 bases appariées sur le même plan –distance entre 2bases consécutives sur le même brin 0.34nm- le diamètrede la double hélice 2nm – l’angle d’inclinaison de l’hélicepar rapport à l’horizontal

Retrouver les caractéristiques de la molécule d’ADN avec le logiciel libmol

Adénine Thymine

LES BASES AZOTEES

Cytosine Guanine

Groupe Phosphate

Ribose pas

Angle inclinaison

diamètre

CORRECTION

CORRECTION

Compléments à l’activité : les principales liaisons chimiques à l’œuvre dans la molécule d’ADN

Représentation d’un gène

Un gène est une succession de nucléotides, notés selon l’initiale de la base azotée qui les compose

Le code génétique a donc 4 lettres qui se combinent de différentes façons

La nature et la structure moléculaire de l’information génétiquePartie 3 – Les différents niveaux d’organisation de la molécule d’ADN

L’ADN, une structure dynamique? Implications sur l’expression du génôme

L’information génétique est contenue dans le NOYAU des cellules EUCARYOTESL’ADN est observé sous la forme de chromosomesLes chromosomes n’ont pas la forme en double hélice, ce ne sont pas simplement des filaments d’ADN : il y a un degré d’organisation supplémentaire…

Comment passe-t-on de la double hélice d’ADN à la configuration en chromosome?

Noyau Caryotype Chromosome

Les différents niveaux d’organisation de l’ADN dans la cellule

(microscopie électronique à balayage)

Micrographie électronique d’un ADN dont les

histones ont été détruites par un traitement

Micrographie électronique d’un

chromosome d’Amphibien (témoin)

Les histones sont des

complexes protéiques

autour desquels s’enroule

l’ADN

Comment passe-t-on de la double hélice d’ADN à la configuration en chromosome?

Les différents niveaux d’organisation

de la molécule d’ADN dans le noyau

Un chromosome fait environ 8 µm de long pour 0.5 µm de diamètre. Cependant, lorsqu’on traite un chromosome avec des enzymes (protéases) détruisant certaines protéines, on voit que l’ADN mesure environ 7 cm de long par chromosome. Ceci signifie que la molécule d’ADN est condensée.Q-Combien y a-t-il d’ordres de grandeur entre le µm et le cm? De quel facteur est condensée la molécule d’ADN?Q- D’après les documents fournis, identifiez l’une des protéines responsable de la condensation de l’ADN en chromosome. Q-Pour qu’un gène s’exprime, il faut qu’un ensemble de protéines puisse se fixer sur le brin d’ADN pour pouvoir lire et décrypter les gènes qu’il contient. Comment l’état de condensation de l’ADN peut-il contrôler l’expression des gènes?Q- D’après la photographie témoin du chromosome d’amphibien, quelles parties de l’ADN sont exprimées et lesquelles ne le sont pas?Q- A la lumière de cette activité, considérez-vous que l’ADN à une structure fixe ou dynamique dans le noyau?

30 µm

Ex. Méthylation de l’ADNLe changement de configuration 3D induit par la méthylation rend une partie de la séquence génétique inaccessible aux protéines déchiffrant les séquencesUne partie du génome ne s’exprime donc pas

Etat compacté/décompacté de l’ADN

Q-Combien y a-t-il d’ordres de grandeur entre le µm et le cm? De quelfacteur est condensée la molécule d’ADN?cm = 10-2 m; µm= 10-6 m donc 4 ordres de grandeur. La molécule estcondensée environ 10 000 fois.Q- D’après les documents fournis, identifiez l’une des protéinesresponsable de la condensation de l’ADN en chromosome.En présence d’histone, le chromosome est bien formé, l’ADN estcondensé. En absence d’histones (suite au traitement), l’ADN estcomplétement délié, décompacté. Les histones favorisent donc lacompaction de l’ADN. Le schéma explicatif fourni montre que l’ADNs’enroule autour des histones à la manière d’un collier de perles. Leshistones ne sont cependant pas les seules responsables de lacompaction de l’ADN; ex.: la méthylation.Q-Pour qu’un gène s’exprime, il faut qu’un ensemble de protéinespuisse se fixer sur le brin d’ADN pour pouvoir lire et décrypter lesgènes qu’il contient. Comment l’état de condensation de l’ADN peut-ilcontrôler l’expression des gènes?Si l’ADN est condensé, il est trop replié autour des histones et lesprotéines chargées de le décrypter ne peuvent se fixer dessus. Enrevanche, lorsque l’ADN se déroule, les protéines peuvent se fixerdessus pour le lire. Les parties du génôme condensées dans unecellule ne s’expriment donc pas, tandis que les parties décompactéespeuvent s’exprimer.Q- D’après la photographie témoin du chromosome d’amphibien,quelles parties de l’ADN sont exprimées et lesquelles ne le sont pas?Parties compactées : non exprimées – Parties déroulées, dépliées :expriméesQ- A la lumière de cette activité, considérez-vous que l’ADN à unestructure fixe ou dynamique dans le noyau? Structure dynamique(=change au cours du temps) contrôlée notamment par les histones

Comment passe-t-on de la double hélice d’ADN à la configuration en chromosome?

CORRECTION

L’ADN, une structure dynamique? Implications sur l’expression du génôme

Toutes les cellules de l’organisme contiennent les mêmes gènes, mais chaque cellule exprime une population de gène qui lui est propre.L’état de condensation de l’ADN détermine en partie les populations de gènes qui s’expriment et ceux qui ne s’expriment pas.C’est l’origine de la spécialisation des cellules.

Bilan de la séance : les différents niveaux d’organisation de l’ADN

Bilan des définitions et vocabulaire scientifiqueL’acide désoxyribonucléique (ADN) est le support de l’information génétique de tous les êtres vivants. Chez les eucaryotes, l’ADN est localisé dans le noyau de chaque

cellule de l’organisme. Chez les procaryotes, la molécule d’ADN est libre dans le cytoplasme des cellules.

Structure et composition de l’ADN : la double hélice

L’ADN est constitué de deux chaînes (ou brins) enroulées l’une autour de l’autre en une double hélice de 2 nm (10-9m) de diamètre. Chaque chaîne est composée d’une

succession de nucléotides qui sont un assemblage de trois molécules : un groupement phosphate, un sucre (désoxyribose) et une base azotée. Les bases azotées sont au

nombre de quatre : adénine (notée A), thymine (T), guanine (G), cytosine (C). La complémentarité de ces bases, deux à deux, permet l’association des deux brins d’ADN :

l’adénine est toujours appariée à une thymine et la guanine à une cytosine.

Les gènes, unités d’information de l’ADN

Un gène est un fragment de la séquence nucléotidique de la molécule d’ADN. L’ensemble des gènes caractéristiques de l’espèce à laquelle appartient un organisme,

constitue son génome. Chez les individus d’une même espèce, un gène peut cependant exister sous différentes formes présentant de légères modifications de séquence, on

parle d’allèles. L’ensemble des allèles d’un individu définit son génotype. Lorsqu’ils s’expriment, lors de la synthèse des protéines, les gènes participent à la construction de

l’individu et à la mise en place de son phénotype.

Les chromosomes

Le chromosome est la structure qui contient l’ADN et qui permet le partage de l’information génétique au cours de la mitose. L’ADN est compacté dans les chromosomes,

grâce notamment à des protéines appelées les histones. Chaque chromosome comprend de nombreux gènes. Lors d’observations de cellules en division, les chromosomes,

structures facilement colorables, apparaissent au microscope optique sous forme de bâtonnets épais : les biologistes réalisent les caryotypes afin de visualiser l’ensemble

des chromosomes d’une cellule d’un organisme et de les étudier.

COURS A APPRENDRE:Comment un même génôme peut-il contenir les caractères de cellules spécialisées différentes ?

Certains gènes s’expriment dans certaines cellules et pas dans d’autres. Autrement dit, tous les gènes ne s’expriment pasdans toutes les cellules. L’ensemble de gènes qui s’exprime est ce qui détermine l’identité et la spécialisation d’une cellule.Par exemple, sur les 20 à 25 000 gènes présents dans le génôme humain, seuls 13700 s’expriment dans les cellules de lapeau, dont 100 gènes qu’on ne trouve exprimés que dans la peau (exclusifs).Pour être exprimé, un gène doit être accessible aux protéines qui décryptent le génôme, pour aboutir à l’expression du oudes caractères correspondant à ce gène. Par exemple, si la molécule d’ADN est trop repliée sur elle-même dans la régiond’un gène donné, ce gène ne peut être décrypté : le caractère, bien que présent dans le génôme, ne peut donc s’exprimer.L’ADN est donc une molécule dont la structure est dynamique : elle peut se condenser dans certaines régions (séquencesgénétiques non exprimées) ou se délier dans d’autres (séquences génétiques exprimées). Ceci est possible grâce à desprotéines appelées les histones, ou encore par des réactions de méthylation de l’ADN.

L’universalité du code génétique

Exercice :A partir de l’expérience ci-dessus, expliquez en quoi la molécule d’ADN est le support universel (pour toutes les espèces) de l’information génétique