Dans le programme du Bac PC
SVT coefficient 5 en Bac PC. Ce chapitre ouvre le bloc génétique du programme (information génétique → expression → transmission par la reproduction → lois statistiques), un enchaînement de 4 chapitres qui forme l'essentiel de l'épreuve de SVT aux côtés de l'écologie.
À l'épreuve
Questions de type QCM ou courtes sur la structure de l'ADN (règle de Chargaff, brin complémentaire) et exercice d'interprétation d'une expérience de type Meselson-Stahl (bandes de densité en centrifugation) pour justifier le mode semi-conservatif de la réplication.
Objectifs d'apprentissage
- Décrire la structure en double hélice de l'ADN et la règle de complémentarité des bases (A-T, G-C)
- Utiliser les règles de Chargaff pour calculer la composition en bases d'un ADN
- Écrire le brin complémentaire d'une séquence d'ADN donnée
- Expliquer le principe de la réplication semi-conservative de l'ADN
- Interpréter une expérience de marquage isotopique (type Meselson-Stahl) pour distinguer les modes de réplication possibles
Notions clés
Structure de l'ADN
L'ADN est une double hélice de deux brins antiparallèles de nucléotides (sucre désoxyribose, phosphate, base azotée A, T, G ou C). Les bases s'apparient par complémentarité stricte : A avec T (2 liaisons hydrogène), G avec C (3 liaisons hydrogène) — règles de Chargaff : %A = %T et %G = %C.
Le gène, support de l'information
Un gène est une portion d'ADN qui porte l'information nécessaire à la synthèse d'un polypeptide (ou d'un ARN). L'ensemble des gènes portés par les chromosomes d'une cellule constitue le génome, support du patrimoine héréditaire transmis de génération en génération.
Réplication semi-conservative
Avant chaque division cellulaire, l'ADN se réplique : les deux brins se séparent et chacun sert de matrice pour synthétiser un brin complémentaire nouveau. Chaque molécule fille contient donc un brin ancien et un brin nouveau — d'où le nom de réplication semi-conservative, démontré par l'expérience de Meselson et Stahl (marquage à l'azote lourd ¹⁵N puis léger ¹⁴N, centrifugation en gradient de densité).
Le cycle cellulaire et la mitose
Le cycle cellulaire alterne une interphase et une division. L'interphase comprend la phase (croissance), la phase (réplication de l'ADN : la quantité d'ADN par cellule passe de à ) et la phase . La mitose répartit ensuite les chromosomes à deux chromatides en quatre phases : prophase (condensation des chromosomes, disparition de l'enveloppe nucléaire, formation du fuseau), métaphase (chromosomes alignés sur la plaque équatoriale), anaphase (séparation des chromatides sœurs, qui migrent vers les pôles) et télophase (reformation de deux noyaux, puis division du cytoplasme). Elle donne deux cellules filles génétiquement identiques à la cellule mère, et la quantité d'ADN revient à .
Le noyau, siège de l'information génétique
Plusieurs expériences montrent que l'information génétique est localisée dans le noyau. Chez l'acétabulaire, algue unicellulaire géante, un fragment sans noyau ne régénère pas durablement, alors qu'un fragment nucléé reconstitue une algue complète ; après greffe d'un noyau d'une espèce dans le cytoplasme de l'autre, le chapeau régénéré est celui de l'espèce qui a fourni le noyau. Chez l'amphibien, un noyau de cellule intestinale transplanté dans un ovule énucléé permet le développement d'un têtard. Le noyau contient l'ADN, porté par les chromosomes : c'est lui qui commande les caractères de la cellule.
Erreurs fréquentes
1
Confondre gène, chromosome et ADN : le chromosome est constitué d'ADN, et un gène n'en est qu'une portion.
2
Apparier les bases au hasard (A avec G, par exemple) : la complémentarité est stricte, A-T et G-C uniquement.
3
Croire que la réplication est conservative (une molécule reste entièrement ancienne, l'autre entièrement nouvelle) : c'est le mode semi-conservatif qui est observé.
Exemple corrigé
Énoncé
On cultive des bactéries plusieurs générations dans un milieu à azote lourd (¹⁵N), puis on les transfère dans un milieu à azote léger (¹⁴N). Après une génération de réplication en milieu léger, l'ADN extrait forme une seule bande de densité intermédiaire en centrifugation. Après une deuxième génération, on observe deux bandes : une de densité intermédiaire et une de densité légère, en proportions égales. Interpréter ces résultats et en déduire le mode de réplication de l'ADN.
Correction
Hypothèses en présence. Réplication conservative : donnerait après une génération deux bandes distinctes (une lourde, une légère). Semi-conservative : donnerait une bande unique de densité intermédiaire (hybride). Dispersive : donnerait aussi une bande hybride, mais de densité qui diminuerait à chaque génération.
Après 1 génération. Une seule bande hybride est observée : l'hypothèse conservative est écartée.
Après 2 générations. Deux bandes apparaissent, hybride et légère, à parts égales — et la bande hybride a la même densité qu'après la première génération, elle n'a pas diminué : l'hypothèse dispersive est à son tour écartée.
Conclusion. Seule la réplication semi-conservative rend compte des deux observations : chaque molécule fille conserve un brin parental et synthétise un brin nouveau.
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Exercice 1
FacileUn ADN contient 30 % de bases A. Calculer le pourcentage de T, puis de G et de C.
Voir la correction
Règle de Chargaff : %T = %A = 30 %. Il reste %G + %C = 100 − 60 = 40 %, et %G = %C, donc %G = %C = 20 %.
Exercice 2
MoyenÉcrire le brin d'ADN complémentaire de 5'-ATTGCAGC-3'.
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En appariant chaque base (A-T, T-A, G-C, C-G) et en respectant l'antiparallélisme des deux brins, le brin complémentaire s'écrit 5'-GCTGCAAT-3'.
Exercice 3
DifficileDans le modèle semi-conservatif, une bactérie initialement toute ¹⁵N (2 brins lourds) subit n générations de réplication en milieu ¹⁴N. Montrer que la fraction de molécules hybrides parmi les 2ⁿ molécules obtenues vaut 1/2ⁿ⁻¹, et calculer cette fraction pour n = 4.
Voir la correction
Il n'existe au départ que 2 brins lourds originaux. À chaque réplication semi-conservative, chaque brin ancien se retrouve apparié à un brin nouveau : ces 2 brins lourds se répartissent donc, à toute génération n, dans exactement 2 molécules hybrides, quel que soit le nombre total de molécules (2ⁿ). La fraction de molécules hybrides est donc 2/2ⁿ = 1/2ⁿ⁻¹. Pour n = 4 : 1/2³ = 1/8 = 12,5 % de molécules hybrides, et 87,5 % de molécules entièrement légères.
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Questions fréquentes
Pourquoi dit-on que la réplication est « semi-conservative » ?
Parce que chaque molécule d'ADN fille conserve la moitié de la molécule mère (un brin ancien) et synthétise l'autre moitié (un brin nouveau), au lieu de rester entièrement ancienne ou de mélanger les deux brins anciens et nouveaux.
Que prouve exactement l'expérience de Meselson et Stahl ?
Elle distingue les trois modes de réplication imaginables (conservative, semi-conservative, dispersive) grâce au marquage isotopique de l'ADN et à la centrifugation en gradient de densité : seul le profil de bandes observé après une puis deux générations correspond au modèle semi-conservatif.
Un gène et un chromosome, est-ce la même chose ?
Non. Un chromosome est une très longue molécule d'ADN (associée à des protéines) qui porte de nombreux gènes ; un gène n'est qu'une portion de cet ADN, correspondant à l'information d'un polypeptide ou d'un ARN donné.