ENSEIGNEMENT DE BIOLOGIE 
CELLULAIRE : BIOLOGIE 
UNIVERSITÉ DES ANTILLES-GUYANE 
PREMIÈRE ANNÉE DES ETUDES DE SANTÉ 
DR MA...
BIBLIOGRAPHIE 
• Gènes VI 
B. LEWIN 
DeBoeck Université 
• Biologie moléculaire et Médecine 
JC KAPLAN et M. DELPECH 
Méde...
I- INTRODUCTION : 
HISTORIQUE ET DÉFINITIONS
HISTORIQUE 
• L’histoire de la biologie moléculaire est basée : 
• Sur les résultats de l’observation des faits de 
transm...
HISTORIQUE 
• Quelques étapes clés : 
• Théorie de l’Evolution de Charles Darwin 
• Lois de Mendel 
• La théorie de la mut...
LA THÉORIE DE CHARLES R. 
DARWIN (1809-1882)
C.R. DARWIN 
• Biologiste britannique 
• 1836 : analyse des spécimens rapportés de son tour du 
monde : 
• Similitudes ent...
C.R. DARWIN 
• 1859 : Origine des espèces par la sélection naturelle 
• Première théorie expliquant l’évolution des espèce...
LES THÉORIES ANTÉRIEURES À CELLE DE 
DARWIN 
• Avant le XIXème siècle : le catastrophisme 
• Extinction des espèces à caus...
LA STRUCTURE DE LA THÉORIE DE DARWIN 
• Tous les individus d’une population sont différents les uns des autres 
(variabili...
LA STRUCTURE DE LA THÉORIE DE DARWIN (2) 
• Caractères avantageux 
• Sont hérités par les générations suivantes 
• devienn...
LA STRUCTURE DE LA THÉORIE DE DARWIN (3) 
• Evolution des espèces est un processus progressif et 
évolutif (plusieurs mill...
LES LOIS DE GRÉGOR MENDEL
GREGOR MENDEL : 1865 
• Natif de l’empire austro-hongrois (tchèque) 
• Travaux méconnus lors de leur publication 
• Redéco...
GREGOR MENDEL 
• En croisant différentes variétés 
• Établissement des principales lois de l’hérédité 
• Caractères domina...
PREMIÈRE LOI DE MENDEL 
• Loi de l’uniformité des hybrides de première génération et de la 
ségrégation indépendante des c...
PREMIÈRE LOI DE MENDEL (2) 
• 2 parents homozygotes pour la couleur du pois : AA (dominant) et aa 
(récessif) 
• 1ère géné...
PREMIÈRE LOI DE MENDEL (3) 
• 2ème génération d’hybrides (F2) hétérogène (phénotypes 
différents): 25% AA, 50% Aa, 25% aa ...
PREMIÈRE LOI DE MENDEL (4) 
• Basée sur la dominance complète d’un allèle sur l’autre 
• Non universalité de cette loi (1è...
DEUXIÈME LOI DE MENDEL 
• Loi de l’indépendance des couples de caractères 
• Croisement de 2 individus de race pure différ...
DEUXIÈME LOI DE MENDEL (2) 
• 2 individus homozygotes 
• 1 pour 2 caractères dominants : AABB (coloré et lisse) 
• 1 pour ...
DEUXIÈME LOI DE MENDEL (3) 
• = Association au hasard entre 1 allèle d’un caractère et 1 allèle de 
l’autre = indépendance...
NOTIONS INTRODUITES PAR LES TRAVAUX DE 
MENDEL 
• Les lois de Mendel impliquent l'existence: 
• d'éléments autonomes et re...
NOTIONS INTRODUITES PAR LES TRAVAUX DE 
MENDEL 
• Différence entre 
• L’apparence d’un organisme (ce qui est observé, ce q...
NOTIONS INTRODUITES PAR LES TRAVAUX DE 
MENDEL (2) 
• Différentes formes d’un même gène : les allèles 
• Organisme diploïd...
NOTIONS INTRODUITES PAR LES TRAVAUX DE 
MENDEL (3) 
• 2 allèles différents : hétérozygotie 
• Phénotype fonction de la rel...
• En 1945 : gène = support de l’hérédité 
• Identification des gènes uniquement par le biais des mutations 
(aberrations p...
LA THEORIE DE LA 
MUTATION (H DE VRIES)
• H. DE VRIES (1848 – 1935) : néerlandais 
• Rédécouverte des lois de Mendel en 1900 
• Théorie de l'hérédité impliquant d...
THÉORIE CHROMOSOMIQUE 
DE L’HÉRÉDITÉ (T. MORGAN)
THOMAS MORGAN (USA : 1866-1945) 
• Travail sur la mouche du vinaigre (Drosophila 
melanogaster) : cycle de reproduction tr...
THOMAS MORGAN (USA : 1866-1945) - 2 
• Morgan et Sturtevant à partir de 1910 
• Nombreuses mutations : étude de leur trans...
L’ADN, SUPPORT DE 
L’INFORMATION GENETIQUE
• L’information génétique est transmise sous deux formes d’une 
génération à l’autre : 
• soit sous la forme d’Un oeuf féc...
DEUX EXPÉRIENCES CLASSIQUES ONT PROUVÉ QUE 
L’ADN EST LE MATÉRIEL GÉNÉTIQUE 
• La découverte de l’ADN (Griffith, 1928) 
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LA DÉCOUVERTE DE L’ADN 
(GRIFFITH, 1928) 
• Pneumocoque : plusieurs types 
* Pneumocoques lisses qui sont virulents : viru...
LA DÉCOUVERTE DE L’ADN 
(GRIFFITH, 1928) (2) 
• Si Pneumocoques lisses tués par la chaleur et 
pneumocoques rugueux inject...
LA DÉCOUVERTE DE L’ADN 
(GRIFFITH, 1928) (3) 
• Ceci suggère donc qu'il existe chez les bactérie L 
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LA DÉCOUVERTE DE L’ADN 
(GRIFFITH, 1928) (4) 
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LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) 
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LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) (2) 
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1- particules phagiques s’adsorbent (se fixent) à 
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• Le 35S est retrouvé quasi exclusivement au niveau des 
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• Ce ne sont pas les protéines virales qui pénètrent 
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LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) (5) 
• Conclusion : L’ADN est aussi le matériel 
génétique du phage T2. 
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QUELQUES DÉFINITIONS
• Génotype : ensemble de l’information génétique héritée par un 
organisme 
• Phénotype correspond à l’expression du génot...
DÉFINITIONS (2) 
• Allèles : différentes formes d’un même gène 
• Organisme ayant deux allèles identiques d’un même gène :...
DÉFINITIONS (3) 
• Type sauvage : génotype et phénotype courants 
• Un gène sauvage è protéine fonctionnelle 
• Mutations...
DÉFINITIONS (4) 
• Les procaryotes : organismes dans lesquels il y a 
théoriquement 1 seul compartiment cellulaire délimit...
DÉFINITIONS (5) 
• Les Eucaryotes sont définis par la division de chaque 
cellule en : 
• un noyau contenant le matériel g...
DÉFINITIONS (6) 
• Virus : particules minuscules. 
• Comme les organismes, une génération donne naissante 
à la suivante. ...
• Le gène est l’unité de l’information génétique, de l’hérédité. 
• Il ne fonctionne pas de façon autonome : il a besoin d...
II- LA STRUCTURE DES ACIDES 
NUCLÉIQUES
LA STRUCTURE DES ACIDES NUCLÉIQUES 
• Le matériel génétique est constitué d’acide nucléique 
• 2 types d’acides nucléiques...
STRUCTURE DES ACIDES NUCLÉIQUES 
• Acide nucléique : succession de nucléotides reliés 
chimiquement par des liaisons coval...
LES BASES AZOTÉES : 4 PAR ACIDE 
NUCLÉIQUE 
• 2 catégories 
• Les pyrimidines : noyau à 6 sommets : cytosine (C), uracile ...
LES BASES AZOTÉES 
• Les purines : noyaux à 5 et 6 sommets entrelacés : guanine (G), 
adénine (A) communes à l’ADN et à l’...
LE PENTOSE 
• Dans l’ADN : 2’-désoxyribose 
• Dans l’ARN : ribose : présence d’un résidu hydroxyle en position 
2’ du cycl...
Pentose
• Le groupement phosphate est relié au pentose (C5’) 
• Liaison base –sucre : liaison entre un atome d’azote de la base et...
NUCLÉOSIDES 
• • Adénosine 
• • Guanosine 
• • Uridine 
• • Cytidine 
ARN 
• ADN : désoxynucléosides (désoxythymidine au l...
Pentose
NUCLÉOTIDES 
• NUCLEOTIDE = BASE + SUCRE + PHOSPHATE 
• Adénosine phosphate 
• Guanosine phosphate 
• Uridine phosphate 
•...
• Acide nucléique : polynucléotides = chaîne polynucléotidique 
• Le nucléotide terminal d’une extrémité de la chaîne poss...
L’ADN EST UNE DOUBLE HÉLICE : ARGUMENTS 
UTILISES PAR WATSON ET CRICK 
• Watson et Crick (1953) è modèle de la double hél...
L’ADN EST UNE DOUBLE HÉLICE : ARGUMENTS 
UTILISES PAR WATSON ET CRICK (2) 
La mesure de la densité de l’ADN suggérait que ...
L’ADN EST UNE DOUBLE HÉLICE : ARGUMENTS 
UTILISES PAR WATSON ET CRICK (3) 
• Erwin Chargaff (1950) : Quelque soit la séque...
DOUBLE HÉLICE D’ADN DE WATSON ET CRICK 
• Modèle satisfaisant aux données disponibles : double hélice 
• Les 2 chaînes son...
DOUBLE HÉLICE D’ADN 
• Les 2 chaînes sont associées par des liaisons hydrogène entre bases 
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DOUBLE HÉLICE D’ADN 
• Les liaisons hydrogène nécessitent peu d’énergie pour les briser mais 
leur multiplicité è forte c...
Chaleur 
Soude 
ADN natif ADN simple brin dénaturé ADN renaturé
DOUBLE HÉLICE D’ADN 
• L’enroulement des deux brins l’un autour de l’autre forme une 
double hélice : 
• avec un petit sil...
DOUBLE HÉLICE DE WATSON ET CRICK 
• § tour complet tous les 34 Å (3,4 nm) : pas de l’hélice 
• § diamètre ≈ 20 Å (2 nm) ...
Petit sillon Grand sillon 
20 Å 
34 Å
ACIDE RIBONUCLÉIQUE OU ARN (RNA) 
• Polynucléotide simple brin 
• Appariemment de bases complémentaires à l’intérieur des ...
III- L’ADN EST LE SUPPORT DE 
L’INFORMATION GÉNÉTIQUE : 
RELATION STRUCTURE FONCTION
LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES 
MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ 
• La séquence des bases dans l’ADN est la forme sous 
laquell...
Organisme 
Longueur du génome haploïde 
en paires de bases 
Virus 
103 à 105 
E. coli 
4,5 x 106 
Levures 
5 x 107 
Ca eno...
LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES 
MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ 
• Structure en double hélice formée de 2 brins anti-parallèle...
3 MODES POTENTIELS DE RÉPLICATION 
• Le mode semi-conservatif 
• Le mode conservatif 
• Le mode dispersé
RÉPLICATION SEMI-CONSERVATIVE : MODÈLE 
ATTENDU 
• Culture de cellules contenant l’ ADN parental dans milieu 
contenant de...
1ère génération 2nde génération
RÉPLICATION SEMI-CONSERVATIVE : PREUVE 
EXPÉRIMENTALE 
• Expérience de Meselson et Stahl (1958) 
• Ont effectivement suivi...
RÉSULTATS 
Léger 
Intermédiaire 
Lourd 
Parental Génération 1 Génération 2
LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES 
MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ 
• L’information génétique est codée : le code 
génétique 
• S...
LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES 
MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ 
• Le code génétique : les relations faisant correspondre les ...
LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES 
MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ 
• Le code génétique est déchiffré par des 
mécanismes complex...
LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES 
MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ 
• Les mutations è changement dans la séquence d’ADN) : 
preu...
• L’information portée par l’ADN doit : 
• pouvoir être lue à tout moment (transcription, traduction), 
• être protégée (n...
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  1. 1. ENSEIGNEMENT DE BIOLOGIE CELLULAIRE : BIOLOGIE UNIVERSITÉ DES ANTILLES-GUYANE PREMIÈRE ANNÉE DES ETUDES DE SANTÉ DR MARYSE ETIENNE-JULAN-OTTO MOLÉCULAIRE
  2. 2. BIBLIOGRAPHIE • Gènes VI B. LEWIN DeBoeck Université • Biologie moléculaire et Médecine JC KAPLAN et M. DELPECH Médecine-Sciences, Flammarion • Biologie moléculaire de la cellule B ALBERTS et al Médecine-Sciences, Flammarion
  3. 3. I- INTRODUCTION : HISTORIQUE ET DÉFINITIONS
  4. 4. HISTORIQUE • L’histoire de la biologie moléculaire est basée : • Sur les résultats de l’observation des faits de transmission des caractères, avec ses avantages et ses limites • Suivie de l’identification des supports biologiques des mécanismes de l’hérédité
  5. 5. HISTORIQUE • Quelques étapes clés : • Théorie de l’Evolution de Charles Darwin • Lois de Mendel • La théorie de la mutation (H. de Vries) • La théorie chromosomique de l’hérédité (Morgan) • Découverte de l’ADN • Elucidation de la structure de l’ADN et l’identification des règles de fonctionnement de l’ADN
  6. 6. LA THÉORIE DE CHARLES R. DARWIN (1809-1882)
  7. 7. C.R. DARWIN • Biologiste britannique • 1836 : analyse des spécimens rapportés de son tour du monde : • Similitudes entre fossiles et espèces vivantes prélevés dans la même zone géographique (tortues, oiseaux,…) èConclusions : • Espèce commune à l’origine • Adaptation à la vie de manière différente sur chaque île, donc en fonction du milieu
  8. 8. C.R. DARWIN • 1859 : Origine des espèces par la sélection naturelle • Première théorie expliquant l’évolution des espèces par un mécanisme biologique : la sélection naturelle
  9. 9. LES THÉORIES ANTÉRIEURES À CELLE DE DARWIN • Avant le XIXème siècle : le catastrophisme • Extinction des espèces à cause des catastrophes • Puis formation de nouvelles espèces ex nihilo (créées à partir de rien) • Début XIXème : plusieurs scientifiques remettent en cause le catastrophisme (Lamarck, Lyell ,…)
  10. 10. LA STRUCTURE DE LA THÉORIE DE DARWIN • Tous les individus d’une population sont différents les uns des autres (variabilité) • Certains sont mieux adaptés que d’autres à leur environnement • Meilleure chance de survie • Meilleure chance de se reproduire
  11. 11. LA STRUCTURE DE LA THÉORIE DE DARWIN (2) • Caractères avantageux • Sont hérités par les générations suivantes • deviennent dominants dans la population : • Sélection naturelle
  12. 12. LA STRUCTURE DE LA THÉORIE DE DARWIN (3) • Evolution des espèces est un processus progressif et évolutif (plusieurs milliers à plusieurs millions d’années) : • Une seule forme de vie à l’origine • Puis apparaissent différentes espèces : la spéciation
  13. 13. LES LOIS DE GRÉGOR MENDEL
  14. 14. GREGOR MENDEL : 1865 • Natif de l’empire austro-hongrois (tchèque) • Travaux méconnus lors de leur publication • Redécouverts en 1900 • Travaux sur les petits pois : nombreux avantages dont fécondité importante • Choix de 7 caractères transmissibles dont les différentes versions faciles à distinguer les unes des et qui différaient entre variétés : • La taille et la couleur des graines • La longueur des tiges,…. • En croisant différentes variétés, étude de la transmission, au cours des générations, de ces caractères
  15. 15. GREGOR MENDEL • En croisant différentes variétés • Établissement des principales lois de l’hérédité • Caractères dominants et récessifs • Pas de mélange des déterminants des caractères • Transmissions de déterminants non altérés • Transmission aléatoire • Transmission de manière indépendante de caractères différents
  16. 16. PREMIÈRE LOI DE MENDEL • Loi de l’uniformité des hybrides de première génération et de la ségrégation indépendante des caractères • Croisement de 2 races pures (homozygotes pour tous les gènes) qui diffèrent par 1 caractère • Couleur du petits pois : coloré, non coloré
  17. 17. PREMIÈRE LOI DE MENDEL (2) • 2 parents homozygotes pour la couleur du pois : AA (dominant) et aa (récessif) • 1ère génération d’hybrides (F1) homogène : tous identiques (Aa) et ayant le phénotype du caractère dominant A
  18. 18. PREMIÈRE LOI DE MENDEL (3) • 2ème génération d’hybrides (F2) hétérogène (phénotypes différents): 25% AA, 50% Aa, 25% aa • Hétérogénéité de F2 = disjonction (ségrégation) indépendante des allèles : les gamètes sont purs = ils ne portent qu’un seul allèle de chaque gène • F2 : réapparition du phénotype récessif
  19. 19. PREMIÈRE LOI DE MENDEL (4) • Basée sur la dominance complète d’un allèle sur l’autre • Non universalité de cette loi (1ère exception) : Ce que MENDEL n’a pu mettre en évidence : il existe différents degrés de dominance (partielle, absence de dominance ou codominance). Dans ces cas, cette loi ne s’applique pas
  20. 20. DEUXIÈME LOI DE MENDEL • Loi de l’indépendance des couples de caractères • Croisement de 2 individus de race pure différant par plusieurs caractères (ou gènes) • Constat : ces différents caractères sont hérités de façon indépendante les uns des autres
  21. 21. DEUXIÈME LOI DE MENDEL (2) • 2 individus homozygotes • 1 pour 2 caractères dominants : AABB (coloré et lisse) • 1 pour 2 caractères récessifs : aabb (incolore et ridé) • F1 : individus AaBb : phénotype parent dominant • F2 : 2 grands groupes de descendants: • 1 groupe : phénotypes parentaux • 1 groupe : nouveau phénotype : 1 caractère dominant associé à un caractère récessif
  22. 22. DEUXIÈME LOI DE MENDEL (3) • = Association au hasard entre 1 allèle d’un caractère et 1 allèle de l’autre = indépendance des couples de caractères = chaque caractère a un support biologique différent • Non universalité de cette loi (2nde exception) : gènes liés = gènes portés par le même chromosome. N’étaient pas connus de Mendel
  23. 23. NOTIONS INTRODUITES PAR LES TRAVAUX DE MENDEL • Les lois de Mendel impliquent l'existence: • d'éléments autonomes et reproductibles, • qui contrôlent les caractères héréditaires de génération en génération. • Chaque caractère est représenté dans l'oeuf fécondé par deux - et seulement deux - éléments, provenant l'un du père, l'autre de la mère. • Chez les hybrides F1, • les éléments correspondant aux différentes versions d'un caractère donné sont distincts, • se séparent à nouveau lors de la formation des cellules germinales. • Ces unités de l'hérédité seront dénommés gènes en 1909 par le biologiste danois Wilhem Johannsen
  24. 24. NOTIONS INTRODUITES PAR LES TRAVAUX DE MENDEL • Différence entre • L’apparence d’un organisme (ce qui est observé, ce qui est mesurable) : le phénotype • et le support génétique sous-jacent : le génotype • Notion d’un facteur qui passe inchangé d’un parent à sa progéniture : futur gène
  25. 25. NOTIONS INTRODUITES PAR LES TRAVAUX DE MENDEL (2) • Différentes formes d’un même gène : les allèles • Organisme diploïde : 2 copies de chaque gène • 2 allèles identiques dans le même organisme : homozygotie è phénotype reflète directement le génotype
  26. 26. NOTIONS INTRODUITES PAR LES TRAVAUX DE MENDEL (3) • 2 allèles différents : hétérozygotie • Phénotype fonction de la relation entre les allèles • Le plus souvent : 1 allèle dominant et 1 allèle récessif è phénotype déterminé par l’allèle dominant : phénotype de l’hétérozygote = phénotype du parent homozygote dominant
  27. 27. • En 1945 : gène = support de l’hérédité • Identification des gènes uniquement par le biais des mutations (aberrations phénotypiques) • Nature physique du gène? Relation entre défauts biochimiques observés et nature physique?
  28. 28. LA THEORIE DE LA MUTATION (H DE VRIES)
  29. 29. • H. DE VRIES (1848 – 1935) : néerlandais • Rédécouverte des lois de Mendel en 1900 • Théorie de l'hérédité impliquant des particules élémentaires qu'il baptise "pangènes » • Théorie de l’évolution par mutation (1903) • Mise en culture d’un nombre considérable d'espèces de plantes herbacées, • D'après sa théorie, les espèces apparaissent en une seule génération, après qu'une variation de grande ampleur - une mutation - est apparue. • Opposé à Darwin pour lequel les nouvelles espèces liées à des modifications progressives
  30. 30. THÉORIE CHROMOSOMIQUE DE L’HÉRÉDITÉ (T. MORGAN)
  31. 31. THOMAS MORGAN (USA : 1866-1945) • Travail sur la mouche du vinaigre (Drosophila melanogaster) : cycle de reproduction très court (9 jours à 25°C), 4 paires de chromosomes, descendance nombreuse • 1ère mutation observée : • 1 mâle aux yeux blancs au lieu de rouges : caractère retrouvé uniquement chez les mâles è le facteur déterminant ce caractère est porté par le chromosome sexuel : • un facteur mendélien est pour la première fois expérimentalement assigné à un chromosome défini. Morgan définit ainsi l'hérédité liée au sexe.
  32. 32. THOMAS MORGAN (USA : 1866-1945) - 2 • Morgan et Sturtevant à partir de 1910 • Nombreuses mutations : étude de leur transmission (ségrégation) è cartes génétiques superposables aux chromosomes • 4 groupes de liaison correspondant aux 4 paires de chromosomes • Conclusion de ces travaux (1915) : • Chromosomes = support physique des gènes • Théorie chromosomique de l’hérédité : les gènes sont organisés en série linéaire le long du chromosome (Prix Nobel de physiologie et de médecine en 1933)
  33. 33. L’ADN, SUPPORT DE L’INFORMATION GENETIQUE
  34. 34. • L’information génétique est transmise sous deux formes d’une génération à l’autre : • soit sous la forme d’Un oeuf fécondé (reproduction sexuée) qui reçoit un exemplaire de chaque gène parental Ou • soit sous la forme d’Une cellule fille (reproduction asexuée) qui reproduit à l’identique la cellule-mère
  35. 35. DEUX EXPÉRIENCES CLASSIQUES ONT PROUVÉ QUE L’ADN EST LE MATÉRIEL GÉNÉTIQUE • La découverte de l’ADN (Griffith, 1928) • Les travaux de Hershey et Chase (1952)
  36. 36. LA DÉCOUVERTE DE L’ADN (GRIFFITH, 1928) • Pneumocoque : plusieurs types * Pneumocoques lisses qui sont virulents : virulence liée à la présence d’un polysaccharide capsulaire (surface cellulaire) è mort des souris infectées (bactéries non détruites par la cellule hôte) Si les Pneumocoques lisses sont tués par la chaleur è inoffensifs pour les souris * Pneumocoques rugueux : absence de polysaccharide è non virulents
  37. 37. LA DÉCOUVERTE DE L’ADN (GRIFFITH, 1928) (2) • Si Pneumocoques lisses tués par la chaleur et pneumocoques rugueux injectés simultanément à la souris • mort de la souris + • présence de bactéries lisses virulentes chez la souris morte de même type que les bactéries lisses tuées qui avaient été injectées.
  38. 38. LA DÉCOUVERTE DE L’ADN (GRIFFITH, 1928) (3) • Ceci suggère donc qu'il existe chez les bactérie L un "facteur ou principe transformant", • probablement résistant et libéré par la chaleur, • susceptible d'être intégré par d'autres bactéries comme les bactéries R • Et qui leur confère de façon héréditaire de nouvelles propriétés génétiques (comme la virulence). • Nature de ce matériel?
  39. 39. LA DÉCOUVERTE DE L’ADN (GRIFFITH, 1928) (4) • Avery et coll, en 1944, ont montré que chimiquement ce p r i n c i p e t r a n s f o r m a n t i s o l é e s t l ’ a c i d e désoxyribonucléique ou ADN. • Autre apport : l’ADN était connu comme composant essentiel des chromosomes eucaryotes . Cette expérience a montré qu’il est le matériel génétique des procarytotes : unification des fondements de l’hérédité chez les bactéries et les organismes supérieurs.
  40. 40. Pneumocoques lisses pathogènes Pneumocoques rugueux non virulents ADN ADN purifié Addition de l’ADN purifié de la souche lisse Pneumocoque lisse
  41. 41. LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) • Il s’agissait de démontrer que l’ADN est aussi le matériel génétique d’un autre système : le virus bactériophage T2 • Le phage T2 infecte la bactérie Escherichia coli.
  42. 42. LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) (2) • Cycle viral normal : 1- particules phagiques s’adsorbent (se fixent) à la surface des bactéries 2- du matériel viral pénètre dans la bactérie 3- 20 minutes plus tard, la bactérie éclate (elle est lysée) en libérant de nombreuses particules virales filles.
  43. 43. LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) (3) • - Marquage des phages au 32P (marquage de l’ADN) et au 35S (marquage des protéines) • - Infection des bactéries è centrifugation è 2 fractions : 1 contenant les enveloppes vides des phages libérées à la surface des bactéries (marquées au 35S) et 1 constituée des bactéries infectées
  44. 44. LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) (4) • Le 35S est retrouvé quasi exclusivement au niveau des enveloppes virales vides • Le 32P se retrouvait en grande partie dans les bactéries infectées (70%) et en partie dans les particules virales filles (environ 30%)
  45. 45. LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) (4) • Conclusions : • Ce ne sont pas les protéines virales qui pénètrent dans la bactérie mais l’ADN • L’ADN des phages parentaux entre dans la bactérie et intègre les particules virales filles : preuve directe de transmission du matériel génétique • Démontrent également la nature chimique des gènes puisque marquage radioactif possible
  46. 46. LES TRAVAUX DE HERSHEY ET CHASE (1952) (5) • Conclusion : L’ADN est aussi le matériel génétique du phage T2. • L’ADN est le matériel génétique quasi universel • Exception : virus à ARN : virus de la grippe, rétrovirus,…
  47. 47. • 1953 : découverte de l’ADN et de sa structure è révolutionné la génétique, la biologie è répercussions majeures en Médecine (origine et cause des maladies, modalités du diagnostic de certaines maladies,… )
  48. 48. QUELQUES DÉFINITIONS
  49. 49. • Génotype : ensemble de l’information génétique héritée par un organisme • Phénotype correspond à l’expression du génotype (aspect physique de l’organisme) • Génome : quantité totale d’ADN ou d’ARN contenue dans chaque cellule (gènes + séquences non codantes)
  50. 50. DÉFINITIONS (2) • Allèles : différentes formes d’un même gène • Organisme ayant deux allèles identiques d’un même gène : homozygote • Organisme ayant deux allèles différents d’un même gène : hétérozygote
  51. 51. DÉFINITIONS (3) • Type sauvage : génotype et phénotype courants • Un gène sauvage è protéine fonctionnelle • Mutations : changements transmissibles de l’information génétique • Mutants : organismes portant la mutation • Type sauvage : organisme portant le gène non modifié
  52. 52. DÉFINITIONS (4) • Les procaryotes : organismes dans lesquels il y a théoriquement 1 seul compartiment cellulaire délimité par une ou plusieurs membranes qui le protègent du milieu extérieur : Bactéries ;
  53. 53. DÉFINITIONS (5) • Les Eucaryotes sont définis par la division de chaque cellule en : • un noyau contenant le matériel génétique entouré par : • le cytoplasme qui est délimité par une membrane plasmique marquant la périphérie de la cellule. Le cytoplasme contient également d’autres compartiments cellulaires individuels entourés eux aussi par des membranes.
  54. 54. DÉFINITIONS (6) • Virus : particules minuscules. • Comme les organismes, une génération donne naissante à la suivante. • Contrairement aux autres organismes, pas de structure cellulaire propre, ce qui les oblige à infecter une cellule hôte.
  55. 55. • Le gène est l’unité de l’information génétique, de l’hérédité. • Il ne fonctionne pas de façon autonome : il a besoin des autres composants cellulaires pour sa transmission et son expression. • Il est constitué d’ADN ou d’ARN et est porté par les chromosomes • Structure des acides nucléiques? • Relation entre leur structure et leur fonction? • Comment ces molécules se reproduisent elles avec exactitude d’une génération à l’autre? • Comment est utilisée l’information génétique par la cellule : expression, régulation, réparation,… • Comment évolue t-elle au cours du temps (variation de l’ADN)
  56. 56. II- LA STRUCTURE DES ACIDES NUCLÉIQUES
  57. 57. LA STRUCTURE DES ACIDES NUCLÉIQUES • Le matériel génétique est constitué d’acide nucléique • 2 types d’acides nucléiques • Acide désoxyribonucléique ou ADN • Acide ribonucléique ou ARN
  58. 58. STRUCTURE DES ACIDES NUCLÉIQUES • Acide nucléique : succession de nucléotides reliés chimiquement par des liaisons covalentes. • Un nucléotide : une base azotée (noyau hétérocyclique d’atomes d’azote et de carbone) + un sucre pentose (à 5 carbone en forme d’anneau) + un groupement phosphate • ADN : désoxynucléotides • ARN : ribonucléotides
  59. 59. LES BASES AZOTÉES : 4 PAR ACIDE NUCLÉIQUE • 2 catégories • Les pyrimidines : noyau à 6 sommets : cytosine (C), uracile (U), thymine (T) (CH3 en position C5/uracile) è cytosine et thymine pour l’ADN, cytosine et uracile dans l’ARN ;
  60. 60. LES BASES AZOTÉES • Les purines : noyaux à 5 et 6 sommets entrelacés : guanine (G), adénine (A) communes à l’ADN et à l’ARN
  61. 61. LE PENTOSE • Dans l’ADN : 2’-désoxyribose • Dans l’ARN : ribose : présence d’un résidu hydroxyle en position 2’ du cycle du sucre • ‘ permet de différencier les atomes du pentose de ceux des bases.
  62. 62. Pentose
  63. 63. • Le groupement phosphate est relié au pentose (C5’) • Liaison base –sucre : liaison entre un atome d’azote de la base et un hydroxyle du sucre : N1 des pyrimidines, N9 des purines NUCLEOSIDE = BASE + SUCRE
  64. 64. NUCLÉOSIDES • • Adénosine • • Guanosine • • Uridine • • Cytidine ARN • ADN : désoxynucléosides (désoxythymidine au lieu d’uridine)
  65. 65. Pentose
  66. 66. NUCLÉOTIDES • NUCLEOTIDE = BASE + SUCRE + PHOSPHATE • Adénosine phosphate • Guanosine phosphate • Uridine phosphate • Cytidine phosphate • Désoxynucléotides : ADN (désoxythymidine phosphate)
  67. 67. • Acide nucléique : polynucléotides = chaîne polynucléotidique • Le nucléotide terminal d’une extrémité de la chaîne possède un groupement 5’ libre ; Le nucléotide terminal de l’autre extrémité possède lui une extrémité 3’ libre. • Par convention on écrit les séquences d’acides nucléiques dans le sens 5’ è 3’ (5’ à gauche et 3’ à droite).
  68. 68. L’ADN EST UNE DOUBLE HÉLICE : ARGUMENTS UTILISES PAR WATSON ET CRICK • Watson et Crick (1953) è modèle de la double hélice à partir de 3 notions : • Diffraction aux rayons X (Rosalind Franklin et Maurice Wilkins Wilkins) è ADN a la forme d’une hélice régulière • tour complet tous les 34 Å (3,4 nm) = le pas de l’hélice • diamètre ≈ 20 Å (2 nm) • distance entre 2 nucléotides adjacents : 3,4 Å è ≈ 10 nucléotides / tour d’hélice
  69. 69. L’ADN EST UNE DOUBLE HÉLICE : ARGUMENTS UTILISES PAR WATSON ET CRICK (2) La mesure de la densité de l’ADN suggérait que - l’hélice est constituée de 2 chaînes polynucléotidiques ; - le diamètre constant de l’hélice = les bases se font face à l’intérieur de l’hélice et qu’une purine fait face à une pyrimidine la liaison purine-purine serait trop volumineuse la liaison pyrimidine-pyrimidine trop peu volumineuse
  70. 70. L’ADN EST UNE DOUBLE HÉLICE : ARGUMENTS UTILISES PAR WATSON ET CRICK (3) • Erwin Chargaff (1950) : Quelque soit la séquence de l’ADN, • le rapport A+T/C+G est variable selon les espèces, mais constant pour tous les membres d'une espèce donnée • C/G ou A/T est à l'inverse constant et égal à un chez toutes les espèces étudiées • quantité de G toujours = quantité de C • quantité de A toujours = quantité de T
  71. 71. DOUBLE HÉLICE D’ADN DE WATSON ET CRICK • Modèle satisfaisant aux données disponibles : double hélice • Les 2 chaînes sont antiparallèles : orientation dans des sens opposés : 5’→3’ et 3’→5‘ • - Squelette sucre-phosphate à l’extérieur et les bases sont à l’intérieur de la double hélice sous la forme de paires perpendiculaires à l’axe de l’hélice • Squelette = succession de sucres et de phosphates = succession de liaisons 5’ –3’ phosphodiesters • Position 5’ du cycle d’un pentose est reliée à la position 3’ du pentose suivant par l’intermédiaire d’un groupement phosphate
  72. 72. DOUBLE HÉLICE D’ADN • Les 2 chaînes sont associées par des liaisons hydrogène entre bases azotées dites complémentaires - G ne peut former de liaisons hydrogène qu’avec C (3 liaisons H) : c’est appariement des bases - A ne peut former de liaisons hydrogène qu’avec T (2 liaisons H) : appariement des bases • Les deux brins d’une molécule d’ADN sont complémentaires • Crick, Watson, et Wilkins reçurent en 1962 le prix Nobel (R. Franklin décédée)
  73. 73. 4 3 6 1 6 1 2 4 3 2
  74. 74. DOUBLE HÉLICE D’ADN • Les liaisons hydrogène nécessitent peu d’énergie pour les briser mais leur multiplicité è forte cohésion de la molécule. • Les brins peuvent être séparés par chauffage ou par la soude : c’est la dénaturation ou fusion de l’ADN. La séparation est un phénomène réversible • Quand les brins se lient de nouveau l’un à l’autre, on parle de renaturation ou hybridation de l’ADN.
  75. 75. Chaleur Soude ADN natif ADN simple brin dénaturé ADN renaturé
  76. 76. DOUBLE HÉLICE D’ADN • L’enroulement des deux brins l’un autour de l’autre forme une double hélice : • avec un petit sillon (≈ 12 Å de large) • avec un grand sillon (≈ 22 Å de large). • double hélice droite. • enroulement se fait dans le sens des aiguilles d’une montre le long de l’axe de l’hélice. è ADN de forme B.
  77. 77. DOUBLE HÉLICE DE WATSON ET CRICK • § tour complet tous les 34 Å (3,4 nm) : pas de l’hélice • § diamètre ≈ 20 Å (2 nm) • § distance entre 2 nucléotides adjacents : 3,4 Å è ≈ 10 nucléotides / tour d’hélice
  78. 78. Petit sillon Grand sillon 20 Å 34 Å
  79. 79. ACIDE RIBONUCLÉIQUE OU ARN (RNA) • Polynucléotide simple brin • Appariemment de bases complémentaires à l’intérieur des chaînes è repliement des molécules : • Exemple : ARN de transfert
  80. 80. III- L’ADN EST LE SUPPORT DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE : RELATION STRUCTURE FONCTION
  81. 81. LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ • La séquence des bases dans l’ADN est la forme sous laquelle est transportée l’information génétique • Spécificité d’espèce
  82. 82. Organisme Longueur du génome haploïde en paires de bases Virus 103 à 105 E. coli 4,5 x 106 Levures 5 x 107 Ca eno rha b d i t i s 8 x 107 elegans Drosophile 1,5 x 108 Vertébrés 108 à 1010 Homme 3 x 109 Plantes 1010 à 1011 Longueur du génome de quelqu es organismes
  83. 83. LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ • Structure en double hélice formée de 2 brins anti-parallèles • Le matériel génétique est reproduit fidèlement de génération en génération : la réplication de l’ADN est semi-conservative • Chaque brin d’ADN sert de matrice pour la synthèse d’un brin fils complémentaire • Assemblage du nouveau brin fils se fait avec le brin parental complémentaire
  84. 84. 3 MODES POTENTIELS DE RÉPLICATION • Le mode semi-conservatif • Le mode conservatif • Le mode dispersé
  85. 85. RÉPLICATION SEMI-CONSERVATIVE : MODÈLE ATTENDU • Culture de cellules contenant l’ ADN parental dans milieu contenant des atomes lourds d’azote (15N) è 2 brins lourds • Puis remplacement par du milieu « léger » (contenant de l’azote 14N) èpremière génération è duplex d’ADN de densité intermédiaire : 1 brin parental « lourd » et 1 brin fils « léger » • 2nde génération : 50% des duplex de densité intermédiaire, 50% de duplex de densité légère
  86. 86. 1ère génération 2nde génération
  87. 87. RÉPLICATION SEMI-CONSERVATIVE : PREUVE EXPÉRIMENTALE • Expérience de Meselson et Stahl (1958) • Ont effectivement suivi la réplication d’E. coli pendant 3 générations • A chaque génération, mesure de la densité d’ADN par centrifugation et comparaison des densités mesurées
  88. 88. RÉSULTATS Léger Intermédiaire Lourd Parental Génération 1 Génération 2
  89. 89. LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ • L’information génétique est codée : le code génétique • Structure simple et universelle de l’ADN • Seule variable : ordre d’enchaînement des bases (séquence) • Séquence d’ADN est traduit par une séquence d’acides aminés dans les chaînes peptidiques • Code génétique lu par groupe de 3 nucléotides ou codon. Chaque codon correspondant à un acide aminé (à l’exception de 3)
  90. 90. LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ • Le code génétique : les relations faisant correspondre les différents codons avec les différents acides aminés • Chaque gène = une suite de codons Séquence nucléotidique : 5’ è 3’ Peptide N-terminale è C-terminale
  91. 91. LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ • Le code génétique est déchiffré par des mécanismes complexes situé entre gènes et protéines
  92. 92. LA STRUCTURE DE L’ADN DÉFINIT LES MÉCANISMES DE L’HÉRÉDITÉ • Les mutations è changement dans la séquence d’ADN) : preuve finale que l’ADN est le support de l’information génétique • Ont permis d’identifier les protéines codées par certains gènes • Ont permis d’identifier la fonction de certaines protéines
  93. 93. • L’information portée par l’ADN doit : • pouvoir être lue à tout moment (transcription, traduction), • être protégée (noyau, protéines, superenroulé), • réparée en cas d’altération (mécanismes de réparation) • pérennisée dans les cellules filles (réplication, division cellulaire).

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