ADN : le support de l’information génétique

L’ADN dans toutes les cellules et son extraction ; nucléotides et séquence ; double hélice, complémentarité A–T, C–G et égalités de Chargaff ; dimensions de la molécule ; gène, séquence et information ; universalité de l’ADN et transgenèse.

À propos de cette page

Six problèmes à partir de documents : extraire l’ADN de fraises avec deux tubes témoins, les mesures de Chargaff et l’ADN à un brin du virus ΦX174, le chromosome 21 dans son noyau, l’expérience de Hershey et Chase, la GFP d’une méduse lue par une bactérie et un ver, et le génome record de Paris japonica.

6 problèmes, du plus simple au plus difficile. Écris tes réponses, puis « Vérifier ».

Résoudre un problème : la méthode

Lire chaque document : ce qui est mesuré, sur quel être vivant, avec quelle unité.
Repérer le témoin ou la comparaison : ce qui change d’un essai, d’une espèce ou d’une mesure à l’autre.
Calculer avec les données du cours (A–T, C–G ; 0,34 nm par paire ; 10 paires par tour), en convertissant les unités.
Interpréter : « on constate que… or (le cours)… donc… », sans affirmer plus que ce que montrent les documents.

Problème 1 · Extraire l’ADN de fraises★★★Facile

Document 1 — Le protocole. On écrase trois fraises dans un sac de congélation fermé. On ajoute 10 mL d’un mélange d’eau, de sel et de liquide vaisselle, puis on malaxe doucement deux minutes. On filtre le mélange dans un tube. On verse ensuite lentement, le long de la paroi du tube, un volume égal d’alcool sortant du congélateur. Après quelques minutes, une pelote blanche filamenteuse apparaît à la limite entre le filtrat et l’alcool, puis monte dans l’alcool.

Document 2 — Deux tubes témoins. Tube A : même protocole, mais sans liquide vaisselle ; on n’obtient presque pas de pelote. Tube B : même protocole, mais sans fraises (seulement l’eau, le sel, le liquide vaisselle et l’alcool) ; aucune pelote n’apparaît.

Document 3 — Une coloration. Le vert de méthyle acétique colore en vert le noyau des cellules sur une préparation microscopique. Déposé sur un fragment de la pelote, il le colore aussi en vert.

1. En écrasant les fraises, on sépare les unes des autres les du fruit.
Le broyage sépare les cellules et met leur contenu au contact du mélange.
2. Le tube A montre que, sans détergent, l’ADN reste enfermé derrière les des cellules et des noyaux.
Le liquide vaisselle détruit les membranes ; sans lui, l’ADN n’est presque pas libéré.
3. Le tube B montre que la pelote ne vient pas des produits ajoutés, mais des .
Sans fraises, pas de pelote : elle provient des cellules du fruit.
4. La pelote se forme dans l’alcool parce que l’ADN n’y est pas .
L’ADN n’est pas soluble dans l’alcool : ses molécules s’y rassemblent et deviennent visibles.
5. Le colorant du document 3 se fixe sur la molécule contenue dans le noyau ; la pelote est donc faite d’.
Le vert de méthyle acétique se fixe sur l’ADN : la pelote est bien de l’ADN, qui vient des noyaux des cellules de fraise.

Problème 2 · Les mesures de Chargaff★★★Moyen

Document 1 — Composition de l’ADN de quatre espèces (pourcentage de chaque sorte de nucléotide ; données d’Erwin Chargaff, 1952, citées par M. Bansal, Current Science, 2003).

Espèce	A (%)	T (%)	G (%)	C (%)
Maïs	26,8	27,2	22,8	23,2
Poulet	28,0	28,4	22,0	21,6
Être humain	29,3	30,0	20,7	20,0
Oursin	32,8	32,1	17,7	17,3

Document 2 — L’ADN du virus ΦX174. Ce petit virus infecte des bactéries. Son ADN compte 5 386 nucléotides ; d’après sa séquence complète, il contient 24,0 % de A, 31,3 % de T, 23,3 % de G et 21,5 % de C.

1. Chez l’être humain, le rapport %A ÷ %T vaut (au centième).
29,3 ÷ 30,0 ≈ 0,98 : presque 1, autant de A que de T.
2. Chez l’oursin, le rapport %G ÷ %C vaut (au centième).
17,7 ÷ 17,3 ≈ 1,02 : presque 1, autant de G que de C.
3. Chez le maïs, %A + %G vaut %.
26,8 + 22,8 = 49,6 %, soit environ la moitié des nucléotides.
4. Chez ces quatre espèces, %A ≈ %T et %G ≈ %C : leurs bases sont associées par complémentaires.
Chaque A est face à un T et chaque G face à un C : les bases forment des paires complémentaires entre les deux brins.
5. Chez ΦX174, le rapport %A ÷ %T vaut (au centième).
24,0 ÷ 31,3 ≈ 0,77 : loin de 1.
6. Ce rapport, loin de 1, indique que l’ADN de ce virus n’est formé que d’un seul .
Sans brin complémentaire, rien n’impose autant de A que de T : l’ADN de ΦX174 n’a qu’un brin (on l’a établi en 1959).
7. Le pourcentage de A va de 26,8 % à 32,8 % selon l’espèce : les ADN de ces espèces n’ont pas la même composition, donc pas la même .
Des compositions différentes impliquent des séquences différentes ; mais les quatre nucléotides sont les mêmes chez toutes ces espèces.

Problème 3 · Le chromosome 21 dans son noyau★★★Moyen

Document 1 — Le chromosome 21. C’est le plus petit des chromosomes humains. Il contient une seule molécule d’ADN, d’environ 46,7 millions de paires de bases (séquence de référence du génome humain).

Document 2 — Le noyau. Dans la cellule étudiée, le noyau est une sphère de 6 µm de diamètre. Chaque cellule du corps contient deux chromosomes 21, un venu de chaque parent.

Document 3 — Les données de la double hélice. Diamètre 2 nm ; 0,34 nm entre deux paires voisines ; 10 paires par tour.

1. Longueur de la molécule d’ADN d’un chromosome 21 : mm (au dixième).
46 700 000 × 0,34 = 15 878 000 nm = 15,878 mm ≈ 15,9 mm.
2. Nombre de tours d’hélice de cette molécule : millions.
46 700 000 ÷ 10 = 4 670 000, soit 4,67 millions de tours.
3. Cette molécule est environ fois plus longue que le diamètre du noyau (à la centaine près).
6 µm = 0,006 mm ; 15,878 ÷ 0,006 ≈ 2 646, soit environ 2 600 fois : elle ne peut tenir dans le noyau que repliée et enroulée autour de protéines.
4. Elle est environ millions de fois plus longue que large (au dixième).
15 878 000 nm ÷ 2 nm = 7 939 000, soit environ 7,9 millions de fois : un fil extrêmement fin et long.
5. Longueur totale de l’ADN des deux chromosomes 21 d’une cellule : mm (au dixième).
2 × 15,878 = 31,756 mm ≈ 31,8 mm, pour une seule des 23 paires de chromosomes, et la plus petite.

Problème 4 · Hershey et Chase : ce qui entre dans la bactérie★★★Moyen

Document 1 — Un virus de bactérie. Le virus T2 est formé d’une enveloppe de protéines qui contient de l’ADN. Il se fixe à la surface de la bactérie Escherichia coli ; plus tard, la bactérie éclate et libère de nombreux nouveaux virus T2.

Document 2 — Deux marquages. Les protéines contiennent du soufre mais pas de phosphore ; l’ADN contient du phosphore, dans ses groupements phosphate, mais pas de soufre. En 1952, Alfred Hershey et Martha Chase préparent des virus dont le soufre est radioactif, et d’autres dont le phosphore est radioactif.

Document 3 — Les résultats (Hershey et Chase, Journal of General Physiology, 1952). Quelques minutes après le contact entre virus et bactéries, une agitation violente au mixeur détache des bactéries 75 % du soufre radioactif, mais seulement 15 % du phosphore radioactif ; les bactéries restent capables de produire de nouveaux virus. Les nouveaux virus contiennent moins de 1 % du soufre radioactif des virus de départ, mais 30 % ou plus de leur phosphore radioactif.

1. L’élément radioactif qui permet de suivre les protéines du virus est le .
Le soufre : il est dans les protéines, pas dans l’ADN.
2. Après l’agitation, % du phosphore radioactif reste lié aux bactéries.
100 − 15 = 85 % du phosphore, donc de l’ADN du virus, reste avec les bactéries.
3. Après l’agitation, % du soufre radioactif reste lié aux bactéries.
100 − 75 = 25 % seulement : des enveloppes restées accrochées à la surface des bactéries.
4. La molécule du virus qui pénètre dans la bactérie est donc surtout son .
Son ADN : il reste avec les bactéries quand on arrache les enveloppes, et les bactéries produisent quand même de nouveaux virus.
5. Les nouveaux virus contiennent moins de 1 % du soufre radioactif des virus de départ : ils n’ont presque rien reçu de leurs .
De leurs protéines : le soufre radioactif ne marque que les protéines, et presque rien n’en passe aux nouveaux virus.
6. La molécule qui entre dans la bactérie et passe en partie aux nouveaux virus (30 % ou plus du phosphore) est donc le support de l’information du virus.
Le support de l’information génétique : c’est l’ADN, et non les protéines, qui fait fabriquer de nouveaux virus par la bactérie et se transmet à eux.

Problème 5 · Une méduse qui éclaire un ver★★★Difficile

Document 1 — Une protéine de méduse. La méduse Aequorea victoria fabrique une protéine, la GFP (« protéine fluorescente verte »), qui émet une lumière verte quand on l’éclaire en lumière bleue. Le gène de la GFP compte environ 720 paires de bases dans sa partie qui commande la protéine.

Document 2 — Une bactérie et un ver. En 1994, l’équipe de Martin Chalfie (Science) introduit ce gène dans la bactérie Escherichia coli : les bactéries deviennent fluorescentes, sans qu’on leur ajoute aucune autre substance de la méduse. L’équipe l’introduit aussi chez le ver Caenorhabditis elegans, associé à une portion d’ADN de ver qui le fait fonctionner surtout dans ses neurones du toucher : ce sont surtout ces neurones qui deviennent fluorescents.

Document 3 — Un outil. Osamu Shimomura, Martin Chalfie et Roger Tsien reçoivent en 2008 le prix Nobel de chimie pour la découverte et le développement de la GFP, devenue un marqueur utilisé chez de très nombreuses espèces.

1. La partie du gène de la GFP qui commande la protéine mesure environ nm (au nanomètre).
720 × 0,34 = 244,8 ≈ 245 nm, soit environ 0,25 µm.
2. La bactérie fabrique la GFP sans aucune autre substance de méduse : toute l’information nécessaire est dans la du gène reçu.
Dans la séquence du gène : l’ordre de ses nucléotides suffit à faire fabriquer la protéine.
3. Une bactérie, un ver et une méduse lisent ce gène de la même façon : ce résultat illustre l’ de l’ADN.
L’universalité de l’ADN : mêmes nucléotides, même structure, même lecture chez des êtres vivants très éloignés.
4. Cette partie du gène compte nucléotides, ses deux brins réunis.
720 paires = 2 × 720 = 1 440 nucléotides.
5. La GFP permet de voir, dans un être vivant, les cellules où un gène fonctionne : elle sert de « marqueur » chez de nombreuses espèces parce que l’ADN de toutes ces espèces est fait des mêmes nucléotides.
Les mêmes quatre nucléotides et la même structure : le gène de méduse peut être lu partout.

Problème 6 · Le plus grand génome connu★★★Difficile

Document 1 — Une plante record. Paris japonica est une plante à fleurs du Japon. En 2010, des chercheurs des jardins botaniques royaux de Kew (Royaume-Uni) mesurent la quantité d’ADN de ses cellules : environ 149 milliards de paires de bases par lot de chromosomes, le plus grand génome alors connu chez les eucaryotes.

Document 2 — Des comparaisons. Un lot de chromosomes humains : environ 3,1 milliards de paires. Le précédent record était celui d’un poisson à poumons d’Afrique, le protoptère, avec environ 130 milliards de paires.

1. Longueur de l’ADN d’un lot de chromosomes de Paris japonica : m (à l’unité).
149 000 000 000 × 0,34 nm = 50 660 000 000 nm = 50,66 m ≈ 51 m d’ADN pour un seul lot de chromosomes.
2. Ce génome est environ fois plus grand qu’un lot de chromosomes humains (à l’unité).
149 ÷ 3,1 ≈ 48,1, soit environ 48 fois.
3. Il dépasse le précédent record d’environ % (à l’unité).
(149 − 130) ÷ 130 ≈ 0,146, soit environ 15 %.
4. Une plante et un poisson ont des génomes bien plus grands que celui de l’être humain : la taille du génome ne mesure pas la d’un être vivant.
Elle ne mesure pas la complexité : un génome peut contenir beaucoup d’ADN sans porter plus de gènes.
5. Ce qui fait l’information d’un gène n’est pas la quantité d’ADN, mais sa .
Sa séquence : l’ordre des nucléotides de cette portion d’ADN.

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