La cellule et l’expression du patrimoine génétique (prérequis de première)

Le socle que la terminale mobilise sans le réexpliquer : organites, ADN, transcription, épissage, traduction, code génétique, mutations et phénotype aux trois échelles.

SVT · fiche gratuite · 38 min de lecture

Ce qu'il faut savoir faire

• Nommer les organites et donner la fonction de chacun, sans dessin.
• Écrire le brin complémentaire d'un brin d'ADN donné.
• Transcrire un brin transcrit en ARNm, en justifiant le remplacement de T par U.
• Repérer AUG et un codon stop dans une séquence, et compter les acides aminés.
• Classer une mutation donnée parmi les quatre types, et en déduire l'effet sur la protéine.
• Rédiger la chaîne complète gène → ARNm → protéine → forme → fonction → phénotype, en trois phrases.
• Expliquer en deux phrases pourquoi deux cellules au même génome sont différentes.

Pourquoi ce chapitre de première est indispensable en terminale

Ce chapitre n'est pas au programme de terminale : il est le socle que la terminale mobilise sans le réexpliquer. Quatre chapitres de terminale s'écroulent s'il n'est pas su.

• Variation génétique et santé. Tout le raisonnement tient en une chaîne : mutation → ARNm modifié → protéine modifiée → phénotype modifié. Un devoir sur la résistance d'une bactérie à un antibiotique, ou sur la cancérisation, demande exactement cette chaîne. Sans le mécanisme de l'expression, on ne peut que la réciter.
• Génétique et évolution. Les mots gène, allèle, séquence, protéine y sont employés comme acquis dès la première ligne de l'énoncé.
• Produire le mouvement. La contraction musculaire est l'interaction de deux protéines, l'actine et la myosine, alimentée par l'ATP produit dans les mitochondries. Deux notions de ce chapitre, utilisées sans rappel.
• De la plante sauvage à la plante domestiquée. La sélection humaine agit sur des allèles, donc sur des protéines, donc sur des caractères.

À retenir comme stratégie de révision : ce chapitre se révise en une séance et sert dans trois sujets sur quatre. C'est le meilleur rapport temps/points de la spécialité.

La cellule : qui fait quoi, et où

Le plan de la cellule eucaryote se retient par la fonction de chaque compartiment, pas par un dessin.

• Noyau — contient l'ADN sous forme de chromosomes : il conserve l'information, et c'est le lieu de la transcription.
• Ribosome — ARN et protéines : il traduit l'ARNm en protéine.
• Réticulum endoplasmique — ribosomes accrochés (RE granuleux) : replie et transporte les protéines.
• Appareil de Golgi — achève la maturation et adresse les protéines.
• Mitochondrie — possède son propre ADN : siège de la respiration cellulaire, donc de la production d'ATP.
• Chloroplaste (végétaux seulement) — chlorophylle et ADN propre : photosynthèse.
• Membrane plasmique — lipides et protéines : délimite la cellule et contrôle les échanges.

Le piège classique du QCM consiste à proposer « la membrane plasmique », « le noyau seul » ou « les plaquettes » comme lieu de la synthèse des protéines. La réponse est le ribosome, toujours. Le noyau contient l'information et la transcrit ; il ne fabrique aucune protéine. Les plaquettes ne sont même pas un organite : ce sont des éléments du sang.

Cellule animale ou végétale : la cellule végétale possède en plus une paroi (rigide, à l'extérieur de la membrane), une grande vacuole et des chloroplastes. Elle possède aussi des mitochondries — elle respire, comme nous. Dire qu'« une plante fait la photosynthèse donc ne respire pas » est une erreur lourde.

L'ADN : une information écrite avec quatre lettres

Un brin d'ADN est une suite de nucléotides. Chaque nucléotide porte une base : Adénine, Thymine, Guanine, Cytosine. Les deux brins sont complémentaires : en face d'un A il y a toujours un T, en face d'un G toujours un C. Connaissant un brin, on écrit l'autre sans réfléchir — brin 1 : 5' - A T G C C T A G - 3' ; brin 2 : 3' - T A C G G A T C - 5'.

L'universalité de l'ADN est un fait à savoir citer : tous les êtres vivants, de la bactérie à l'humain, utilisent la même molécule, les mêmes quatre bases et le même code génétique. C'est l'argument principal en faveur d'une origine commune du vivant — et il ressert tel quel en terminale, dans le chapitre sur l'évolution.

Ce qui change d'un individu à l'autre, ce n'est ni la molécule ni les lettres : c'est l'ordre des lettres. Deux allèles d'un même gène ne diffèrent parfois que d'un seul nucléotide. Un gène est une portion d'ADN porteuse de l'information nécessaire à la fabrication d'une molécule, le plus souvent une protéine ; un allèle en est une version possible ; un chromosome est une molécule d'ADN associée à des protéines — 46 chromosomes, soit 23 paires, dans une cellule humaine.

La transcription : copier un gène en ARN

Où ? Dans le noyau. Quoi ? Un gène, pas le chromosome entier. Résultat ? Un ARN pré-messager, simple brin. L'ARN est proche de l'ADN, mais avec le sucre ribose et la base U (uracile) à la place du T.

Le mécanisme, en trois temps :

• L'ARN polymérase se fixe sur le début du gène et ouvre localement la double hélice.
• Elle parcourt un seul des deux brins, appelé brin transcrit (ou brin modèle), et assemble en face les nucléotides complémentaires.
• Arrivée au signal de fin, elle libère l'ARN et la double hélice se referme.

La règle de complémentarité change sur un point, et c'est le point noté : en face d'un A de l'ADN, l'ARN place un U, pas un T. Pour le brin transcrit, A donne U, T donne A, G donne C, C donne G.

Conséquence pratique à connaître : l'ARN obtenu est identique au brin non transcrit de l'ADN (le brin « codant »), à ceci près que les T y sont remplacés par des U. C'est le raccourci qui fait gagner cinq minutes en devoir — à condition de dire lequel des deux brins on a utilisé.

La maturation (épissage) : chez les eucaryotes, le pré-ARNm contient des portions non codantes, les introns, qui sont découpées et éliminées ; les portions conservées, les exons, sont raboutées. Le résultat est l'ARNm mature, qui sort du noyau.

L'épissage alternatif : à partir d'un même pré-ARNm, la cellule peut conserver des combinaisons d'exons différentes, et donc fabriquer plusieurs protéines différentes à partir d'un seul gène. C'est la réponse à la question « comment 20 000 gènes suffisent-ils à fabriquer bien plus de 20 000 protéines ? ».

La traduction : de l'ARNm à la protéine

Où ? Dans le cytoplasme, sur les ribosomes. Comment ? L'ARNm est lu de trois nucléotides en trois nucléotides, sans chevauchement et sans saut : un groupe de trois est un codon, l'unité de lecture.

• Initiation — le ribosome se fixe sur l'ARNm et repère le codon AUG, qui est à la fois le signal de départ et le codon de la méthionine. Le cadre de lecture est fixé à cet instant : tout le reste en dépend.
• Élongation — pour chaque codon, un ARN de transfert portant l'anticodon complémentaire apporte l'acide aminé correspondant. Le ribosome relie les acides aminés entre eux et avance d'un codon.
• Terminaison — le ribosome atteint un codon stop (UAA, UAG ou UGA), auquel ne correspond aucun acide aminé. La protéine est libérée.

Le code génétique est la table de correspondance codon → acide aminé : 64 codons pour 20 acides aminés. Ses trois propriétés, et ce qu'elles impliquent :

• Redondant — plusieurs codons codent le même acide aminé (souvent, seule la 3ᵉ lettre change). Conséquence : une mutation peut être silencieuse, c'est-à-dire ne rien changer à la protéine.
• Non ambigu — un codon donné code toujours le même acide aminé. Conséquence : on peut traduire un ARNm de façon certaine avec la table.
• Quasi universel — la même table chez la bactérie et chez l'humain. Conséquence : on peut faire produire de l'insuline humaine par une bactérie, et c'est l'exemple à citer.

Attention au sens de lecture. Un tableau de code génétique se lit sur l'ARNm, jamais sur l'ADN, et de la première lettre vers la troisième. Traduire directement depuis l'ADN est l'erreur qui coûte tous les points d'un exercice.

Du gène au phénotype : la séquence, la forme, la fonction

La chaîne à savoir écrire dans cet ordre, sans sauter d'étape : gène (ADN) → transcription → ARNm → traduction → séquence d'acides aminés → repliement dans l'espace → fonction de la protéine → phénotype.

Le point que les correcteurs attendent est le repliement : la séquence détermine la forme tridimensionnelle, et c'est la forme qui détermine la fonction. Une enzyme est une protéine qui accélère une réaction chimique ; son site actif n'accepte qu'un substrat de forme complémentaire, d'où sa double spécificité — de substrat et d'action. Une enzyme dont le site actif est déformé ne reconnaît plus son substrat, même si toute la suite d'acides aminés est intacte par ailleurs.

Le phénotype est l'ensemble des caractères observables, à trois échelles, qu'il faut illustrer avec le même exemple pour montrer qu'on a compris — la drépanocytose :

• Moléculaire — hémoglobine anormale, qui s'agrège.
• Cellulaire — globule rouge déformé en faucille.
• Macroscopique — anémie, douleurs, fatigue.

Le phénotype n'est pas dicté que par le génotype : l'environnement intervient (alimentation, température, exposition au soleil, activité physique). Un devoir qui pose la question « le génotype détermine-t-il le phénotype ? » attend génotype + environnement, jamais le génotype seul.

Mutations : les quatre cas, et leur effet sur la protéine

Une mutation est une modification de la séquence de nucléotides de l'ADN, transmise aux cellules filles lors des divisions. Elle modifie donc potentiellement l'ARNm, donc potentiellement la protéine. Quatre cas, et l'effet n'est pas le même :

• Substitution silencieuse — un nucléotide change, mais le codon code le même acide aminé : aucun effet, grâce à la redondance.
• Substitution faux-sens — un nucléotide change, un acide aminé est remplacé : protéine modifiée, effet variable, du nul au grave.
• Substitution non-sens — un codon devient un codon stop : protéine tronquée, en général non fonctionnelle.
• Insertion ou délétion — ajout ou perte de nucléotides : décalage du cadre de lecture, et tout ce qui suit est faux.

La question de cours la plus rentable est : pourquoi une délétion d'un seul nucléotide est-elle en général plus grave qu'une substitution ? Réponse : parce que la lecture se fait par groupes de trois à partir d'un point fixe ; retirer une lettre décale tous les codons suivants, et la protéine est erronée sur toute sa fin. Une substitution ne touche qu'un codon.

Le cas où une insertion ou une délétion ne décale rien : quand elle porte sur un multiple de trois nucléotides. Le cadre de lecture est conservé ; on perd ou on ajoute simplement un ou des acides aminés.

Origine des mutations : erreurs spontanées lors de la réplication de l'ADN, ou action d'agents mutagènes (UV, tabac, certains produits chimiques, radioactivité). Elles sont aléatoires — elles ne surviennent pas parce que la cellule en aurait besoin. C'est un point que la terminale reprend mot pour mot sur la résistance aux antibiotiques : l'antibiotique ne crée pas la résistance, il sélectionne les bactéries déjà mutées.

Un seul génome, des cellules différentes

Toutes les cellules d'un organisme possèdent le même ADN. Un neurone et une cellule de peau ont les mêmes gènes. Pourtant ils ne se ressemblent en rien.

L'explication tient en une phrase : elles n'expriment pas les mêmes gènes. Dans chaque type cellulaire, une partie seulement des gènes est transcrite ; les autres restent silencieux. C'est la différenciation cellulaire.

• Le phénotype cellulaire dépend des protéines réellement fabriquées, donc des gènes réellement exprimés — pas des gènes présents.
• L'expression des gènes est régulée, et cette régulation répond à des signaux internes (hormones) et externes (environnement). C'est la porte d'entrée vers le chapitre de terminale sur la variation génétique et la santé.

Deux exercices types, entièrement rédigés

Exercice A — traduire une séquence et interpréter une mutation

On donne le brin transcrit d'un fragment de gène : 3' - T A C - G G A - C T T - A T C - 5'. Question 1 : écrire l'ARNm correspondant. Question 2 : combien d'acides aminés la protéine contiendra-t-elle ? Question 3 : le quatrième nucléotide (le G du 2ᵉ codon) est remplacé par un A. Qu'en déduire ?

• On applique la complémentarité, en remplaçant A par U : l'ADN transcrit TAC GGA CTT ATC donne l'ARNm AUG CCU GAA UAG.
• Le premier codon est AUG : c'est l'initiation, il code la méthionine. Le dernier, UAG, est un codon stop : il ne code aucun acide aminé et arrête la traduction. Il reste AUG, CCU, GAA, soit 3 acides aminés.
• Le brin transcrit devient TAC GAA CTT ATC, donc l'ARNm devient AUG CUU GAA UAG. Le 2ᵉ codon passe de CCU à CUU : un seul acide aminé est remplacé. C'est une substitution faux-sens. La protéine garde sa longueur ; son effet dépend de l'importance de cet acide aminé dans le repliement — on ne peut pas conclure qu'elle est non fonctionnelle sans information supplémentaire.

Ce qui fait perdre des points ici : oublier de compter le codon stop comme non traduit, et conclure « la protéine ne fonctionne plus » sans le justifier.

Exercice B — justifier un phénotype par la protéine

Deux individus, A et B, diffèrent par un allèle d'un gène codant une enzyme. Chez B, l'enzyme est inactive. Rédiger l'explication complète.

L'allèle de B diffère de celui de A par sa séquence de nucléotides. Après transcription, l'ARNm de B diffère donc de celui de A ; après traduction, la séquence d'acides aminés de l'enzyme est différente. Cette différence de séquence modifie le repliement de la protéine, donc la forme de son site actif. Le substrat, dont la forme est inchangée, n'est plus complémentaire du site actif : l'enzyme ne peut plus s'y fixer, donc ne catalyse plus la réaction. Le phénotype moléculaire (enzyme inactive) entraîne un phénotype cellulaire puis macroscopique — l'accumulation du substrat non transformé et ses conséquences sur l'organisme.

Ce qui fait la différence entre 2 et 4 points : nommer les trois échelles du phénotype et citer explicitement la complémentarité de forme entre site actif et substrat.

Les erreurs qui coûtent le plus

• Placer la synthèse des protéines dans le noyau. Le noyau transcrit ; le ribosome traduit, dans le cytoplasme.
• Écrire un T dans un ARN. L'ARN n'a pas de thymine : c'est U.
• Lire le code génétique sur l'ADN. La table se lit sur l'ARNm.
• Confondre gène et allèle. Le gène est l'emplacement et la fonction ; l'allèle est la version.
• Dire qu'une mutation change forcément la protéine. La redondance du code rend possible une mutation silencieuse.
• Répondre « le génotype » à une question sur le phénotype. Il faut génotype + environnement, et les trois échelles.

Avant l'épreuve : Méthode de l'épreuve de spécialité SVT — l'écrit sur 15, l'ECE sur 5 et le barème, en détail.