Karamö, le prof virtuelLeçon 11 sur 49
La division cellulaire
Je sais expliquer comment l'information génétique est copiée puis répartie lors de la mitose et de la méiose, et interpréter les courbes de quantité d'ADN.
- 1 h
- 5 exercices corrigés
- 3 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire le cycle cellulaire et expliquer la réplication semi-conservative de l'ADN
- Décrire les phases de la mitose et montrer qu'elle conserve l'information génétique
- Décrire les grandes étapes de la méiose et montrer qu'elle réduit de moitié le nombre de chromosomes et brasse les allèles
- Interpréter une courbe de variation de la quantité d'ADN et l'expérience de Meselson et Stahl
Avant de commencer : Les leçons sur l'ADN (double hélice, complémentarité) et sur le lexique (chromosome, chromatine, homologues, haploïde, diploïde) ; la mitose étudiée en classe de 11e.
1Je découvre
Hawa, élève de Terminale SE à Kankan, s'est coupée au doigt en épluchant du manioc. Une semaine plus tard, la plaie est complètement refermée. « Où sont passées les cellules abîmées ? demande-t-elle à sa grande sœur, infirmière. — Les cellules voisines se sont divisées pour les remplacer, répond celle-ci. Et chaque nouvelle cellule a exactement les mêmes chromosomes que les autres cellules de ton corps. »
Hawa réfléchit : pour qu'une cellule donne deux cellules avec la même information génétique, il faut bien que l'ADN soit d'abord copié, puis partagé. Mais elle se souvient aussi que ses parents lui ont transmis chacun seulement la moitié de leurs chromosomes, sinon le nombre doublerait à chaque génération.
Comment l'information génétique est-elle copiée et répartie lors des divisions cellulaires, et en quoi la mitose et la méiose sont-elles différentes ?
2Je comprends
1. Le cycle cellulaire
Une cellule qui se divise passe par une succession d'étapes appelée cycle cellulaire. Il comprend :
- l'interphase, la plus longue, avec trois phases :
- G1 : la cellule grandit et fonctionne ; chaque chromosome est formé d'une seule chromatide (une molécule d'ADN) ;
- S (synthèse) : l'ADN est répliqué ; chaque chromosome devient formé de deux chromatides sœurs identiques, reliées au niveau du centromère ;
- G2 : la cellule se prépare à la division ;
- la mitose (phase M), suivie du partage du cytoplasme (cytodiérèse), qui donne deux cellules filles.
Si on appelle q la quantité d'ADN d'une cellule en G1, elle passe progressivement à 2q pendant la phase S, reste à 2q en G2, puis revient à q dans chaque cellule fille à la fin de la mitose.
2. La réplication de l'ADN : un mécanisme semi-conservatif
La réplication est la copie de la molécule d'ADN en deux molécules identiques. Elle a lieu pendant la phase S, dans le noyau.
- La double hélice s'ouvre : les liaisons hydrogène entre les bases se rompent, les deux brins se séparent.
- Chaque brin sert de modèle : une enzyme, l'ADN polymérase, place en face de chaque base le nucléotide complémentaire (A face à T, G face à C) et construit un nouveau brin, toujours de 5' vers 3'.
- On obtient deux molécules d'ADN identiques, chacune formée d'un brin ancien et d'un brin nouveau. C'est pourquoi on dit que la réplication est semi-conservative.
La preuve : l'expérience de Meselson et Stahl (1958). Des bactéries sont cultivées longtemps sur un milieu contenant de l'azote lourd (¹⁵N) : tout leur ADN devient « lourd ». On les transfère sur un milieu à azote léger (¹⁴N) et on mesure, par centrifugation, la densité de leur ADN à chaque génération.
- Génération 0 : 100 % d'ADN lourd.
- Génération 1 : 100 % d'ADN hybride (densité intermédiaire).
- Génération 2 : 50 % d'ADN hybride et 50 % d'ADN léger.
Ces résultats ne s'expliquent que si chaque nouvelle molécule conserve un brin ancien (lourd) et fabrique un brin nouveau (léger).
Exemple
Prévoir la composition de l'ADN à la génération 3 de l'expérience de Meselson et Stahl.
À la génération 2, on a (sur 4 molécules) 2 molécules hybrides (un brin lourd, un brin léger) et 2 molécules légères.
Chaque molécule se réplique : chaque hybride donne 1 hybride + 1 légère ; chaque légère donne 2 légères.
Génération 3 : 2 hybrides et 6 légères sur 8 molécules, soit 25 % d'ADN hybride et 75 % d'ADN léger. Il n'y a jamais plus d'ADN lourd après la génération 0.
3. La mitose : une division conservatrice
La mitose est la division d'une cellule en deux cellules filles génétiquement identiques entre elles et à la cellule mère. Elle se déroule en quatre phases (observables par exemple dans les cellules de l'extrémité d'une racine d'oignon, où 2n = 16).
- 1Prophase : les chromosomes (à deux chromatides) se condensent et deviennent visibles ; l'enveloppe du noyau disparaît ; le fuseau se forme
- 2Métaphase : les chromosomes s'alignent à l'équateur du fuseau, formant la plaque équatoriale
- 3Anaphase : les centromères se séparent ; les chromatides sœurs migrent vers les deux pôles opposés
- 4Télophase : un lot de chromosomes à une chromatide se trouve à chaque pôle ; les noyaux se reforment, les chromosomes se décondensent
- 5Cytodiérèse : le cytoplasme se partage (étranglement chez l'animal, formation d'une paroi chez la plante)
Bilan : une cellule à 2n chromosomes donne deux cellules à 2n chromosomes, avec la même information génétique. La mitose permet la croissance, le renouvellement des tissus (peau, sang) et la cicatrisation, ainsi que la reproduction asexuée (bouture de manioc, rejet de bananier).
4. La méiose : une division réductionnelle
La méiose se produit dans les organes reproducteurs et donne les gamètes (ou les spores chez les plantes). Elle comprend deux divisions successives, précédées d'une seule réplication.
Première division (réductionnelle).
- Prophase I : les chromosomes homologues s'apparient deux à deux et forment des tétrades (bivalents). Des échanges de fragments peuvent se produire entre chromatides de deux homologues : ce sont les crossing-over (enjambements).
- Métaphase I : les paires d'homologues se placent de part et d'autre de l'équateur. L'orientation de chaque paire est due au hasard.
- Anaphase I : les chromosomes homologues se séparent (chacun garde ses deux chromatides) et migrent vers les pôles opposés.
- Télophase I : deux cellules à n chromosomes à deux chromatides.
Deuxième division (équationnelle), semblable à une mitose : les chromatides sœurs se séparent. On obtient quatre cellules haploïdes à n chromosomes à une chromatide.
Les conséquences génétiques de la méiose :
- le nombre de chromosomes est divisé par deux (2n → n) ; la fécondation rétablit ensuite la diploïdie (n + n = 2n) ;
- le brassage interchromosomique : en anaphase I, les chromosomes de chaque paire se répartissent au hasard, indépendamment des autres paires. Avec n paires, on obtient 2n combinaisons possibles de chromosomes ;
- le brassage intrachromosomique : les crossing-over de la prophase I créent de nouvelles associations d'allèles sur un même chromosome.
Ces deux brassages expliquent que les gamètes d'un même individu soient génétiquement différents, et donc que les frères et sœurs ne se ressemblent pas totalement. Ils seront utilisés dans les leçons de génétique qui suivent.
- Une division
- Cellules somatiques
- 2 cellules filles
- 2n donne 2n (conservation)
- Cellules filles identiques
- Pas d'appariement des homologues
- Deux divisions successives
- Cellules des organes reproducteurs
- 4 cellules filles
- 2n donne n (réduction)
- Cellules filles génétiquement différentes
- Appariement et crossing-over en prophase I
5. Interpréter une courbe de quantité d'ADN
Méthode
Pour interpréter une courbe de quantité d'ADN par cellule :
- Je repère les paliers et les variations : une augmentation progressive (q → 2q) est une réplication (phase S).
- Une chute brutale de moitié correspond à une séparation (chromatides ou homologues) suivie d'une division.
- Mitose : q → 2q → q (une seule chute). Méiose : q → 2q → q → q/2 (deux chutes successives sans réplication entre elles).
- Je nomme chaque phase et j'indique le nombre de chromosomes et de chromatides.
Exemple
Une cellule humaine en G1 contient 6,6 pg d'ADN (valeur arrondie). Compléter pour la mitose et la méiose.
Fin de la phase S : 2 × 6,6 = 13,2 pg (46 chromosomes à 2 chromatides).
Mitose : chaque cellule fille reçoit 13,2 ÷ 2 = 6,6 pg (46 chromosomes à 1 chromatide).
Méiose : après la première division, chaque cellule a 6,6 pg (23 chromosomes à 2 chromatides) ; après la seconde, chaque gamète a 6,6 ÷ 2 = 3,3 pg (23 chromosomes à 1 chromatide).
3Je retiens
Je retiens
Cycle cellulaire : G1 (q), S (réplication, q → 2q), G2 (2q), mitose (retour à q dans chaque cellule fille).
Réplication semi-conservative (Meselson et Stahl, 1958) : chaque nouvelle molécule d'ADN garde un brin ancien et reçoit un brin nouveau, grâce à l'ADN polymérase.
Mitose : prophase, métaphase, anaphase (séparation des chromatides), télophase ; 2n → 2n, cellules identiques ; croissance, renouvellement, cicatrisation.
Méiose : deux divisions ; anaphase I : séparation des homologues ; anaphase II : séparation des chromatides ; 2n → 4 cellules à n.
Brassage interchromosomique (répartition au hasard des homologues, 2ⁿ combinaisons) et intrachromosomique (crossing-over) : gamètes tous différents.
La fécondation rétablit la diploïdie : n + n = 2n.
4Erreurs fréquentes
- Confondre chromosome et chromatide : après la phase S, un chromosome est formé de deux chromatides ; il y a toujours 46 chromosomes chez l'être humain, pas 92.
- Placer la réplication pendant la mitose : l'ADN est répliqué en phase S de l'interphase, avant la division.
- Dire que l'anaphase I sépare les chromatides : en anaphase I, ce sont les chromosomes homologues qui se séparent ; les chromatides se séparent en anaphase II (et en anaphase de mitose).
- Croire que les cellules issues de la méiose sont identiques : grâce aux brassages, elles sont génétiquement différentes.
5Je m’exerce
1Exercice 1
(Questions de cours)
a) Définis la réplication et explique pourquoi elle est dite semi-conservative.
b) Nomme les phases de la mitose et donne l'événement principal de chacune.
c) Donne deux différences entre la mitose et la méiose.
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a) La réplication est la copie d'une molécule d'ADN en deux molécules identiques, pendant la phase S de l'interphase. Elle est semi-conservative car chaque nouvelle molécule est formée d'un brin ancien (conservé) et d'un brin nouvellement synthétisé.
b) Prophase : condensation des chromosomes, disparition de l'enveloppe nucléaire, formation du fuseau. Métaphase : alignement des chromosomes à l'équateur. Anaphase : séparation des chromatides sœurs, qui migrent vers les pôles. Télophase : reformation des noyaux autour de chaque lot de chromosomes, puis cytodiérèse.
c) La mitose comprend une division et donne deux cellules à 2n identiques ; la méiose comprend deux divisions et donne quatre cellules à n génétiquement différentes. La méiose comporte l'appariement des homologues et les crossing-over, absents de la mitose.
2Exercice 2
Le brin d'un fragment d'ADN est 5'-ATTGCCAG-3'. Il est répliqué. Écris les deux molécules obtenues en indiquant, pour chacune, le brin ancien et le brin nouveau.
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Brin donné : 5'-ATTGCCAG-3' ; son complémentaire : 3'-TAACGGTC-5'.
Molécule 1 : brin ancien 5'-ATTGCCAG-3' associé à un brin nouveau 3'-TAACGGTC-5'.
Molécule 2 : brin ancien 3'-TAACGGTC-5' associé à un brin nouveau 5'-ATTGCCAG-3'.
Les deux molécules sont identiques ; chacune garde un brin ancien.
3Exercice 3
Une cellule de maïs (2n = 20) entre en division.
a) Combien de chromosomes et de chromatides possède-t-elle en G1 ? en G2 ?
b) Combien de chromosomes possède chaque cellule fille après une mitose ? après une méiose ?
c) Combien de combinaisons différentes de chromosomes (sans crossing-over) la méiose peut-elle produire ?
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a) En G1 : 20 chromosomes à une chromatide, soit 20 chromatides. En G2 : 20 chromosomes à deux chromatides, soit 40 chromatides.
b) Après une mitose : 20 chromosomes par cellule fille. Après une méiose : 10 chromosomes par cellule.
c) n = 10 paires, donc 210 = 1 024 combinaisons.
4Exercice 4
On donne l'évolution de la quantité d'ADN (en unités arbitraires) dans une cellule au cours du temps : 2 ; 2 ; de 2 à 4 progressivement ; 4 ; 2 ; 1.
a) Cette courbe correspond-elle à une mitose ou à une méiose ? Justifie.
b) Nomme les étapes correspondant à chaque variation.
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a) C'est une méiose : après la réplication (2 → 4), la quantité d'ADN diminue deux fois de suite (4 → 2 puis 2 → 1) sans nouvelle réplication, et la cellule finale a la moitié de la quantité de départ.
b) 2 : phase G1 ; de 2 à 4 : phase S (réplication) ; 4 : phase G2 et première division jusqu'à l'anaphase I ; chute à 2 : fin de la première division (séparation des homologues) ; chute à 1 : fin de la deuxième division (séparation des chromatides).
5Exercice 5
(Type BAC) Dans l'expérience de Meselson et Stahl, on cultive des bactéries sur un milieu à ¹⁵N (azote lourd), puis on les transfère sur un milieu à ¹⁴N (azote léger). On centrifuge leur ADN après chaque génération.
a) Quel résultat obtient-on à la génération 1 ? Montre qu'il élimine l'hypothèse d'une réplication « conservative » (une molécule entièrement ancienne et une entièrement nouvelle).
b) Calcule les proportions d'ADN hybride et d'ADN léger aux générations 2, 3 et 4.
c) Quel est l'intérêt biologique de ce mode de réplication pour la cellule ?
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a) À la génération 1, on obtient 100 % d'ADN hybride (densité intermédiaire). Avec une réplication conservative, on aurait obtenu 50 % d'ADN lourd et 50 % d'ADN léger, et aucun ADN hybride : cette hypothèse est donc éliminée.
b) Chaque molécule hybride donne 1 hybride + 1 légère ; chaque légère donne 2 légères. Le nombre de molécules hybrides reste égal à 2 (pour une molécule lourde de départ) tandis que le total double à chaque génération.
Génération 2 : 2 hybrides sur 4, soit 50 % hybride et 50 % léger.
Génération 3 : 2 sur 8, soit 25 % hybride et 75 % léger.
Génération 4 : 2 sur 16, soit 12,5 % hybride et 87,5 % léger.
c) Chaque brin sert de modèle et la complémentarité impose la base à placer : les deux molécules filles sont identiques à la molécule mère. L'information génétique est ainsi transmise fidèlement aux cellules filles.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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