1Spé_Génétique_Chap1

Chapitre 1 : La transmission du patrimoine génétique chez les eucaryotes

THEME : LA TERRE, LA VIE ET l'ORGANISATION DU VIVANT

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Introduction // C'est quoi un eucaryote ?

Les animaux, les végétaux, les champignons sont des eucaryotes.

Le groupe des eucaryotes comprend tous les êtres vivants (unicellulaires ou pluricellulaires) dont les cellules possèdent un noyau (et d'autres organites).

La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle du vivant, elle contient l’ADN, (support des informations génétiques). Chez les eucaryotes, l’ADN est localisé dans le noyau et organisé sous forme de chromosomes.

Le coin des curieux

Introduction // Les divisions cellulaires

Dans un organisme, chaque jour, des milliers de cellules sont produites pour renouveler les tissus et produire les gamètes. Cela nécessite des divisions cellulaires. On distingue deux types de divisions cellulaires : la mitose et la méiose.

Problème : Comment l’information génétique est-elle transmise lors des divisions cellulaires ? On se limite aux eucaryotes.

Activité 3

Activité 4

Activité 1

Activité 2

Introduction // Plan

Problème : Comment l’information génétique est-elle transmise lors des divisions cellulaires ?

2La mitose : une reproduction conforme des cellules

1Les chromosomes, des structures universelles et permanentes des cellules eucaryotes

4La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

3La méiose : une production de gamètes haploïdes

Activité 1

Document 1 : De l'ADN au chromosome

I / Les chromosomes, des structures universelles et permanentes des cellules eucaryote

Chaque noyau de chaque cellule humaine (sauf les cellules reproductrices) contient 46 chromosomes, soit 2 mètres d'ADN sous forme de double hélice linéaire qui a la capacité de s’enrouler autour de protéines spécifiques,les histones, formant ainsi des chromosomes. L’état de condensation des chromosomes varie au cours de la vie de la cellule. chromosome = ADN + protéines spécifiques

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Activité 1

Document 2 : Chromosomes homologues, simples et doubles

I / Les chromosomes, des structures universelles et permanentes des cellules eucaryote

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Activité 1

Document 3 : Caryotype d’une cellule somatique (à gauche) et d’une cellule germinale (à droite)

I / Les chromosomes, des structures universelles et permanentes des cellules eucaryote

Ploïdie et nombre de chromosomes chez différentes espèces Tous les individus d'une espèce possède les mêmes chromosomes et donc les mêmes gènes. Par contre chaque individu est caractérisé par une combinaison d'allèles qui lui est propre. TOUS UNIQUE (même gènes) et TOUS DIFFERENTS (combinaison d'allèles propre à chacun) !

Comment établir la formule chromosomique d'une cellule ? Chaque espèce est caractérisé par un nombre de chromosome. Les chromosomes peuvent être en un seul exemplaire (haploïde), organisé en paire (diploïde), … On appelle ploïdie, le nombre d’exemplaire d’un type de chromosome. La formule chromosomique indique la ploïdie et le nombre de chromosome contenue la cellule

On compte 46 chromosomes organisés en 23 paires. Les chromosomes d’une paire sont appelés chromosomes homologues (un hérité du père, un de la mère), ils portent les mêmes gènes mais pas forcément les mêmes allèles.Les cellules somatiques (toutes les cellules exceptés les gamètes) sont des cellules diploïdes 2n=46.Les gamètes issues de la lignée germinale sont des cellules haploïdes n=23.

Réalisation imagée d'un caryotype Le caryotype correspond à la photographie de l’ensemble des chromosomes d’une cellule en métaphase de mitose classés selon leur taille et leur morphologie. Le caryotype d’un individu est spécifique de l’espèce à laquelle il appartient. Il indique la ploïdie et le nombre de chromosome.

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Activité 1

Document 4 : Photographie de cellules d’oignon à différentes phases du cycle cellulaire (les chromosomes ont été colorés) observées au microscope optique

I / Les chromosomes, des structures universelles et permanentes des cellules eucaryote

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Cellule en interphase : les chromosomes ne sont pas individualisés, on ne peut pas les distinguer. Les chromosomes sont décondensés. On parle de chromatine.

Cellule en mitose (prophase) : les chromosomes sont individualisés, on peut les observer. Les chromosomes sont condensés.

Cellule en mitose (anaphase) : les chromosomes sont individualisés, on peut les observer. Les chromosomes sont condensés.

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Activité 1

Document 5 : Schéma des étapes du cycle cellulaire avec détails de l’état de l’ADN (cellule eucaryote animale – 2n=4)

I / Les chromosomes, des structures universelles et permanentes des cellules eucaryote

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Activité 1

Au cours du cycle cellulaire, la condensation de l’ADN (et donc des chromosomes) varie.

I / Les chromosomes, des structures universelles et permanentes des cellules eucaryote

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Activité 1

Document 6 : Graphique de la quantité d’ADN par cellule au cours de plusieurs divisions cellulaires

I / Les chromosomes, des structures universelles et permanentes des cellules eucaryote

Quantité d'ADN /cellule (U.A.) lors d’un cycle cellulaire d'une cellule germinale en fonction du temps

Quantité d'ADN /cellule (U.A.) lors de deux cycles cellulaires d'une cellule somatique en fonction du temps

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Activité 2

II /La mitose : une reproduction conforme des cellules

Document 7 : Les différentes étapes de la mitose

La mitose se décompose en quatre étapes successives : prophase, métaphase, anaphase et télophase. Interphase : le noyau, limité par son enveloppe, contient une chromatine plus ou moins dispersée, les chromosomes ne sont pas visibles. En début de mitose les chromosomes sont doubles. Les deux chromatides d’un chromosome double sont identiques, elles portent les mêmes allèles aux mêmes endroits donc la même information génétique

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II /La mitose : une reproduction conforme des cellules

Activité 2

La prophase

Les chromosomes doubles se condensent. Leur diamètre apparent augmente tandis que leur longueur diminue considérablement. Ils deviennent facilement transportables et observables au microscope. L'enveloppe nucléaire se désorganise.

Observation au MET d'une cellule en prophase de mitose

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II /La mitose : une reproduction conforme des cellules

Activité 2

La métaphase

L'enveloppe nucléaire est désorganisée permettant le déplacement des chromosomes. Les fibres du fuseau mitotique placent les chromosomes doubles condensés sur le plan équatorial.

Plan équatorial

Observation au MET d'une cellule en métaphase de mitose

Vision 3D de la celluleN'oubliez pas que nous ne sommes pas en 2D ! Les chromosomes sont réparties sur le plan équatorial (et non sur une ligne). Pour simplifier, les schémas sont en 2D.

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II /La mitose : une reproduction conforme des cellules

Activité 2

L'anaphase

Les chromatides de chaque chromosome se séparent au niveau du centromère (préalablement doublé) et migrent chacune vers un pôle opposé de la cellule. Elles forment deux lots identiques de chromosomes simples (= qui portent les mêmes allèles).La cellule s'allonge grâce aux fibres du fuseau de division.

Observation au MET d'une cellule en anaphase de mitose

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II /La mitose : une reproduction conforme des cellules

Activité 2

La télophase

L'enveloppe nucléaire se reconstitue autour de chaque lot de chromosomes qui se décondensent. Le cytoplasme et les organites se répartissent entre les deux cellules filles qui se séparent (c'est la cytodiérèse).

Observation au MET d'une cellule en télophase de mitose

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II /La mitose : une reproduction conforme des cellules

Activité 2

Document 8 : Schéma du fuseau mitotique

Au cours de la mitose se met en place un fuseau de division formé de fibres protéiques qui ont la capacité de s’allonger et de se raccourcir et de se fixer aux chromosomes au niveau du centromère.En métaphase, ces fibres placent les chromosomes sur le plan équatorial de la cellule. Au cours de l’anaphase, les fibres se raccourcissent provoquant la séparation des chromatides des chromosomes doubles au niveau du centromère. Ainsi, chaque cellule fille reçoit une chromatide de chaque chromosome.

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II /La mitose : une reproduction conforme des cellules

Les cellules filles produites sont donc identiques entre elles et à la cellule mère : elles possèdent les mêmes chromosomes, les mêmes allèles : la mitose est une reproduction conforme.

Activité 2

La succession de mitoses produit un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques que l’on appelle un clone.

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II /La mitose : une reproduction conforme des cellules

Au cours de la mitose, il arrive parfois que des chromosomes ne se séparent pas correctement ce qui entrainent un nombre anormal de chromosomes, on parle n’aneuploïdie. Si la cellule survie cela peut être à l’origine de cancer. Il s’agit souvent d’un problème au niveau du fuseau mitotique.Certains agents environnementaux peuvent augmenter la fréquence de ces erreurs.

Activité 2

J'étudie un document en adoptant une démarche scientifique.

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Activité 3

Document 9 : Les différentes étapes de la méiose

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

La méiose est constituée de deux divisions cellulaires successives qui permettent de former à partir d’une cellule diploïde 4 cellules haploïdes = les gamètes. La première division présente des particularités par rapport à la mitose. Au cours de cette première division, on passe d’une cellule diploïde à 2n chromosomes doubles à deux cellules à n chromosomes doubles : le nombre de chromosomes et la quantité d’ADN sont divisés par 2. La deuxième division se déroule directement à la suite de la première comme une mitose classique. On passe ainsi de deux cellules à n chromosomes doubles à 4 cellules à n chromosomes simples.

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Activité 3

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

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Activité 3

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

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Activité 3

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

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Activité 3

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

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Activité 3

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

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Activité 3

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

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Activité 3

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

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Activité 3

III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

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III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

Activité 3

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III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

La deuxième division de méiose sépare les chromatides de chaque chromosome double.

La première division de méiose sépare les chromosomes doubles de chaque paire de chromosomes homologues. ==> les deux cellules filles sont haploïdes (un seul exemplaire de chaque type de chromosome)

Activité 3

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III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

Activité 3

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III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

Activité 3

Au cours de la méiose, il arrive parfois que des chromosomes ne se séparent pas correctement (soit les chromosomes doubles ne se séparent pas lors de la méiose I ou non séparation des chromatides des chromosomes doubles lors de la méiose II) ce qui entrainent un nombre anormal de chromosomes dans les gamètes (un chromosome en moins ou un chromosome en plus). Lors de la fécondation, on obtient des cellules œufs anormales : monosomie ou trisomie.

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III / La méiose : formation de gamètes haploïdes

Activité 3

Correction

POINT METHODE : Exercice

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Activité 4

IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

En 1953, Watson et Crick propose un modèle pour la structure de l’ADN : l’ADN est constitué de deux brins (=molécule bicaténaire) complémentaire constitué d’une succession de nucléotides (=séquence). Au début des années 50, pour expliquer la réplication d'un ADN bicaténaire, trois modèles ont été proposés. Ces modèles se basent tous sur l'utilisation de la molécule d'ADN "mère"/molécule initiale comme matrice pour sa réplication, mais selon des modalités différentes : - réplication semi-conservative - réplication conservative - réplication dispersive

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Activité 4

IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

Rappel sur la structure de la molécule d'ADN

- L'ADN est une molécule bicaténaire (= deux brins) en forme de double hélice.- Chaque brin est formé d'une succession de nucléotides (molécule composée d'un groupement phosphate, d'un sucre (désoxyribose) et d'une base azotée). Il existe 4 bases azotées différentes donc 4 nucléotides.- Les bases azotées sont protégées à l'intérieur de la molécule et sont reliées par des liaisons faibles : 2 liaisons entre A et T, 3 liaisons entre G et C. On parle de complémentarité.-La succession des nucléotides, appelée séquence, forme un code qui porte les informations génétiques.

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IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

Activité 4

Ce schéma présente le devenir de l’ADN chez trois générations de cellules successives, selon les trois hypothèses de mode de réplication de l’ADN.

Hypothèse "modèle conservatif" : À partir d’une molécule d’ADN bicaténaire « mère », on forme une nouvelle molécule d’ADN bicaténaire. On garde donc ici une molécule « mère », non modifiée (elle est donc conservée), tout en « synthétisant » une nouvelle molécule (« fille »). Hypothèse "modèle semi-conservatif" : On dissocie les deux brins de la molécule d’ADN bicaténaire « mère ». Chaque brin sert donc de matrice à la synthèse d’un brin complémentaire, l’ensemble reformant une molécule d’ADN bicaténaire. Chaque nouvelle molécule « fille » ne conserve donc que la moitié de la molécule « mère ». Hypothèse "modèle dispersif" : On ne conserve aucun brin intact. La copie se réalise par fragments dispersés dans l’ensemble de l’ADN, permettant de former les deux molécules d’ADN bicaténaires « filles ». Légendes des couleurs Rouge : Molécule d'ADN "mère" et son devenir. Bleu : ADN néo-formé.

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IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

Activité 4

Document 11 : L'expérience de Meselson et Stahl

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Après plusieurs cycles cellulaires dans un milieu contenant de l'azote lourd, on obtient 100% d'ADN lourd.

IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

Activité 4

Tableau des résultats attendus selon les trois hypothèse de mode de réplication

Document 12 : L'expérience de Meselson et Stahl

Les résultats obtenus permette de réfuter les hypothèses d'un mode de réplication conservatif et dispersif et valident le mode de réplication semi-conservatif.La réplication est semi-conservative : chaque brin de la double hélice sert de modèle pour la synthèse d’un brin de séquence nucléotidique complémentaire. Les deux molécules d’ADN issues de la réplication ont ainsi la même séquence nucléotidique que la molécule d’ADN de départ.

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IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

Activité 4

Document 13 : Schéma du mode de réplication semi-conservative de l'ADN

Grâce à un complexe enzymatique, composé notamment d'ADN polymérases, la molécule d'ADN parentale s'ouvre comme une "fermeture éclair" par rupture des liaisons faibles entre les deux brins complémentaires. Chaque brin brin parental (brin matrice) gouverne alors la synthèse d'un brin complémentaire (brin néoformé) à partir de nucléotides dispersés dans le noyau. À l’issue de la réplication, chacune des deux molécules filles d’ADN est donc constituée d’un brin parental et d’un brin néoformé. On qualifie ce processus de semi-conservateur. Ainsi, chaque nouvelle molécule possède la même séquence que la molécule d'ADN parentale.

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IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

Activité 4

Schémas d'interprétation d'un oeil de réplication

Chez les eucaryotes, la réplication débute en plusieurs points précis de la molécule d'ADN ce qui entraîne la formation d'yeux de réplication encadrée par deux fourches de réplication. Les yeux de réplication progressent dans les deux sens jusqu'à ce que les fourches de réplication se rencontrent. Les deux molécules filles ne restent alors solidaires que par le centromère.

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IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

Activité 4

POINT METHODE - BrDU et réplication

Pour suivre le comportement des brins d’ADN au cours de la réplication, on utilise une molécule voisine de la thymine, la BrDU (Bromo-Désoxy-Uridine). La BrDU est une base analogue de la thymine (= la structure de la BrDU est très proche de celle de la thymine). Lors de la réplication, lorsque des cellules sont cultivées sur un milieu dépourvu de thymine et contenant de la BrDU, l’ADN polymérase incorpore la BrDU à la place de la thymine. La molécule de BrDU peut être colorée par un réactif, l’acridine : - Si la BrDU est présente sur les 2 brins de l’ADN, la chromatide devient orange après traitement à l’acridine. - Si la BrDU est présente sur 1 des 2 brins de l’ADN, la chromatide devient jaune après traitement à l’acridine. Des cellules sont cultivées sur un milieu contenant de la thymine, sans BrDU. Après une métaphase, elles sont transférées sur un milieu sans thymine et avec BrDU, durant 2 cycles cellulaires (tous les autres nucléotides étant présents). Les cellules sont traitées à l’acridine.

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IV/ La phase S : réplication semi-conservative de l’ADN

Activité 4

Correction

POINT METHODE - BrDU et réplication

Schéma montrant le résultat de l’expérience : tous les chromosomes sont semblables (une chromatide jaune, une chromatide orange)

Consigne : D’après vos connaissances et à l’aide des informations précédentes, montrez que cette double coloration des chromosomes confirme le mécanisme semi-conservatif de la réplication. Votre réponse devra comporter une description et une analyse détaillée de l’expérience ainsi que des schémas explicatifs, vous utiliserez la séquence d’ADN suivante : … A – T – G – A – C – A … … T – A – C – T – G – T … Vous noterez « B », la BrDU.

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Schéma de la structure de la molécule d'ADN

Découverte des chromosomes

.Walther Flemming – découverte des chromosomes (grec : corps colorés) et de la mitose - 1882

Les bactéries sont cultivées pendant plusieurs générations sur un milieu contenant de l’azote lourd. Notons que ces bactéries se divisent de manière synchronisée, elles sont donc toute au même stade du cycle cellulaire. L’ADN de ces bactéries a donc une densité de 1.724 = ADN lourd.

Puis Meselson et Stahl transfert ces bactéries dans un milieu contenant de l’azote léger et les laissent pendant un nombre défini de cycle cellulaire.

Point : Histoire des sciences

La chimiste, Rosalind Franklin, repoussée dans l’ombre par Watson et CrickJames Watson et Francis Crick ont même reçu le prix Nobel de médecine en 1962 pour la découverte de la structure en double hélice de l'ADN. Ils figurent dans tous les livres scolaires. Et pourtant, ce duo aurait dû être un trio. En effet, Rosalind Franklin a été la première à observer la structure de l'ADN par diffraction aux rayons X.

Durée de la méiose chez l'espèce humaine

La méiose dure beaucoup plus longtemps que la mitose (1 à 3h): - Homme : 17 joursLa spermatogenèse (formation de spermatozoïdes matures dure environ 70 jours).- Femme : plus de 40 ans. La méïose commence au 7ème mois in utéro et s’achèvera entre la puberté et la ménopause. A la naissance, les ovocytes sont bloqués en prophase 1, à chaque cycle, quelques cellules follicules entrent en maturation.la Prophase 1 représente à elle seule 90% de la durée globale de la méïose.

Présentation rapide du document : Le graphique montre le pourcentage d'aneuploïdie en fonction de la concentration en atrazine du milieu de vie. Observation : On observe que la pourcentage d'aneuploïdie augmente de manière linéaire avec la concentration en atrazine (donner des valeurs).Déduction : On en déduit que l'atrazine est à l'origine d'aneuploïdie. Des facteurs environnementaux peuvent augmenter le taux d'anomalies lors de la mitose.

Schéma d'une cellule eucaryote animale

Interphase : L’enroulement de l’ADN autour des protéines histones forme des nucléosomes (10 nm) dont la succession forme une sorte de "collier de perles" qui peut s'enrouler sur lui-même formant des structures appelées nucléofilaments (filaments du noyau) (30 nm) visibles uniquement au MET à fort grossissement. L’ensemble des nucléofilaments constitue la chromatine. D’une part cette compaction diminue l’encombrement du matériel génétique et favorise son stockage dans le noyau dont le volume est limité. D’autre part, la molécule d’ADN demeure accessible aux acteurs de la réplication.

A la 2ème réplication, la révélation de l’ADN montre deux bandes d’épaisseur égale, l’ADN est de deux types : 50% d’ADN avec une densité intermédiaire et 50% d’ADN léger.
Ces interprétations ne correspondent pas aux attendus du modèle dispersif, il est donc exclu.
Ces résultats concordent avec les attendus du modèle semi-conservatif.

Le partage du cytoplasme et des organites

La division cellulaire est une étape cruciale dans la vie d’une cellule. Pour se reproduire, la cellule copie ses composants essentiels, puis se sépare en deux cellules-filles. Ces dernières reçoivent en héritage le matériel génétique et les organites tels que le réticulum endoplasmique, l’appareil de Golgi... Si la cellule-fille hérite de l’ensemble de la machinerie cellulaire, charge à elle, ensuite de l’organiser. Ceci nécessite une très grande fiabilité tant au niveau du partage des composants de la cellule que de leur repositionnement dans les deux cellules-filles. Assurer cette fiabilité est un défi pour l’organisme puisqu’à chaque instant près de 250 millions de cellules sont en division. L’une des conditions indispensables pour que la cellule puisse accomplir sa division est que l’appareil de Golgi se morcèle. Les cellules-filles héritent alors de fragments de l’appareil Golgi. Ces "petits Golgi" rejoignent ensuite leur "poste" près du centrosome en empruntant le réseau de microtubules.

Division cellulaire : les filaments d'ADN subissent un sur-enroulement qui se traduit par une augmentation du diamètre apparent et une diminution de longueur. On dit que l'ADN est condensé. Les chromosomes sont alors bien individualisés, facilement transportables et... observables au microscope optique. Ainsi une molécule d'ADN interphasique de 8 cm de long et et 2 nm de diamètre passera à 7 µm de longueur pour 0,7 µm de diamètre en mitose.En fin de division cellulaire, les chromosomes se décondensent.

La molécule d'ADN est formée de deux brins composés d'une succession de nucléotides. Les nucléotides sont des molécules qui contiennet de l'azote (N).Dans le tube contenant de l’ADN provenant de bactéries cultivées sur un milieu contenant de l’azote lourd (15N) : la révélation de l’ADN après centrifugation montre que celui-ci a une densité de 1,724. Dans le tube contenant de l’ADN provenant de bactéries cultivées sur un milieu contenant de l’azote léger (14N) : la révélation de l’ADN après centrifugation montre que celui-ci a une densité de 1,710. ➔Ces tubes montrent que l’ADN qui a incorporé de l’azote lourd a une densité supérieure que l’ADN qui a incorporé de l’azote léger. Ce sont des tubes témoins.Par la suite, on parlera pour simplifier d'ADN lourd pour l'ADN dont les deux brins contiennent des nucléotides contenant de l'azote lourd.Par la suite, on parlera pour simplifier d'ADN léger pour l'ADN dont les deux brins contiennent des nucléotides contenant de l'azote léger.

Rôle de la colchicine

La colchicine est extrait de la colchique, elle se fixe aux tubulines (composants des microtubules du fuseau mitotique (fuseau de division)) ce qui bloque la mitose en métaphase - empêche l'anaphase).

Les microtubules

Les microtubules sont des filaments protéiques participant à des fonctions eucaryotes essentielles (motilité, trafic intracellulaire, division cellulaire) grâce à leurs propriétés dynamiques d’assemblage-désassemblage et à leur capacité d’interagir avec de nombreux facteurs cellulaires. La formation du fuseau mitotique en est un exemple.

Les microtubules sont formés de protofilaments composés de tubulines.

Les polymérisations/dépolymérisations des microtubules leur permettent de s'aggrandir et de raccourcir.

En savoir plus.

Les bactérie sont cultivées pendant un cycle cellulaire dans un milieu contenant uniquement de l'azote léger (elles ont réalisé une seule réplication). La révélation de l’ADN montre une densité intermédiaire entre la densité de l’ADN lourd et la densité de l’ADN léger. (100% ADN intermédiaire)La réplication consiste à doubler la quantité d’ADN en utilisant les éléments contenus dans le milieu (ici de l'azote léger) : on passe d’un chromosome simple à un chromosome double à deux chromatides (une chromatide = 1 molécule d’ADN (composée de 2 brins de nucléotides)). L’ADN a été synthétisé en utilisant de l’azote léger. Il est donc composée de 50% de nucléotides lourds (= brin parental représenté en rouge) et 50% de nucléotides légers (= brin néosynthétisé représenté en bleu). Ce qui exclue le modèle conservatif.