"SÉQ. 2 : Localisation et nature de l’information génétique déterminant les caractères héréditaires. " (partie 2/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : à la fin de cette séquence l’élève pourra - localiser le matériel génétique dans la cellule eucaryote et expliquer pourquoi il se trouve principalement dans le noyau ; - décrire la nature chimique de ce matériel (ADN) et ses propriétés fondamentales ; - distinguer un chromosome monochromatidien d’un chromosome bichromatidien et expliquer leur relation avec les phases du cycle cellulaire ; - concevoir une maquette représentant une paire de chromosomes homologues aux deux états chromatidiques ; - interpréter les résultats d’une mise en évidence de l’ADN par la coloration de Feulgen et en tirer des conclusions sur la constance de la quantité d’ADN chez les cellules d’un même individu. **Prérequis** : connaître la structure générale de la cellule eucaryote (membranes, noyau, cytoplasme), avoir étudié la mitose et les notions de caractère héréditaire transmis par les gamètes, savoir lire un schéma de chromosome et manipuler du matériel de modélisation (fils, perles, carton). ## Introduction contextualisée La compréhension de la localisation et de la nature de l’information génétique constitue le socle sur lequel reposent les lois de l’hérédité. Au Cameroun, le programme du BEPC insiste sur l’approche par compétences : l’élève doit non seulement connaître des faits, mais aussi les mettre en œuvre à travers des expérimentations simples (coloration de Feulgen) et des activités de modélisation (maquettes de chromosomes). Cette séquence permet de passer du niveau macroscopique (observation d’un noyau coloré) au niveau moléculaire (ADN comme support de l’information) et de préparer les élèves à aborder les notions de mutation, de réplication et de transmission des allèles. ## I. TP N°1 : Mise en évidence du matériel génétique d’une cellule ### 1.1 Principe de la coloration de Feulgen La réaction de Feulgen repose sur l’hydrolyse acide de l’ADN qui libère des groupes aldéhydes ; ces derniers réagissent avec le réactif de Schiff (fuchsine décolorée) pour donner un composé coloré rouge magenta. Cette réaction est spécifique de l’ADN ; l’ARN et les protéines ne sont pas colorés. > La coloration de Feulgen révèle spécifiquement l’ADN nucléaire d’une cellule eucaryote. ### 1.2 Étapes expérimentales 1. **Fixation** : les cellules sont traitées avec un mélange éthanol‑acide acétique (3:1) pour préserver les structures nucléaires. 2. **Hydrolyse** : incubation dans de l’acide chlorhydrique 1 N à 60 °C pendant 8‑10 min afin de couper les liaisons glycosidiques de l’ADN. 3. **Coloration** : immersion dans le réactif de Schiff préparé frais (fuchsine + métabisulfite de sodium) pendant 15 min à l’obscurité. 4. **Décoloration** : rinçage dans de l’eau sulfiteuse (0,5 % Na₂SO₃) pour éliminer le colorant non lié. 5. **Observation** : montage au glycérol‑gelée et examen au microscope optique (objectif 40×, immersion huile si nécessaire). ### 1.3 Résultats attendus - Le noyau apparaît teinté d’un rouge magenta intense, tandis que le cytoplasme reste pratiquement incolore. - Chez une même lame, toutes les cellules somatiques montrent une intensité de coloration comparable, témoignant d’une quantité d’ADN similaire. ### 1.4 Démonstration : constance de la quantité d’ADN Soit $I$ l’intensité moyenne de la coloration mesurée par un densitomètre (ou estimée visuellement). Pour deux cellules $A$ et $B$ du même individu, on montre que $$ \frac{I_A}{I_B} \approx 1 . $$ Cette égalité résulte du fait que chaque noyau contient la même quantité d’ADN, notée $C_{2n}$ (ADN diploïde). La réaction de Feulgen étant proportionnelle à la quantité d’ADN présente, l’intensité mesurée reflète directement $C_{2n}$. > La quantité d’ADN par noyau est constante chez toutes les cellules somatiques d’un même organisme (principe de constance du génome). ### 1.5 Exemple 1 : comparaison de deux cellules au repos Dans une préparation de racine d’oignon, on mesure l’intensité de deux cellules épidermiques au stade G₁. - Cellule 1 : $I_1 = 0,62$ (unités arbitraires) - Cellule 2 : $I_2 = 0,60$ Calcul du rapport : $$ \frac{I_1}{I_2}= \frac{0,62}{0,60}=1,03\approx 1 . $$ Conclusion : les deux cellules possèdent pratiquement la même quantité d’ADN. ### 1.6 Exemple 2 : cellule en métaphase versus interphase On compare une cellule racinaire en interphase (G₁) à une cellule en métaphase. - Interphase : $I_{int}=0,55$ - Métaphase : $I_{meta}=1,10$ Rapport : $$ \frac{I_{meta}}{I_{int}} = \frac{1,10}{0,55}=2,00 . $$ L’intensité double car l’ADN a été répliqué pendant la phase S ; chaque chromosome est maintenant bichromatidien, portant deux molécules d’ADN identiques. > Après réplication de l’ADN (phase S), la quantité d’ADN mesurée par la coloration de Feulgen est multipliée par deux. ### 1.7 Applications pédagogiques - Détection d’anomalies de ploidie (cellules polyploïdes montrent une intensité supérieure). - Validation de la spécificité de la réaction en effectuant un témoin avec de l’ARNase (pas de coloration). ## II. TP N°2 : Conception des maquettes des paires de chromosomes homologues (monochromatidiens et bichromatidiens) ### 2.1 Définitions essentielles - **Chromosome** : filament d’ADN associé à des histones, visible lors de la mitose. - **Homologues** : deux chromosomes d’une même paire portant les mêmes séquences géniques aux mêmes loci, l’un d’origine paternelle, l’autre maternelle. - **Monochromatidien** : chromosome non répliqué, constitué d’une seule chromatide (une molécule d’ADN). - **Bichromatidien** : chromosome répliqué, constitué de deux chromatides sœurs reliées au centromère (deux molécules d’ADN identiques). > Un chromosome monochromatidien contient une molécule d’ADN ; un chromosome bichromatidien contient deux molécules d’ADN identiques. ### 2.2 Représentation schématique - **Monochromatidien** : une simple barre (ex. █). - **Bichromatidien** : deux barres reliées par un symbole centromère (ex. █ ⦿ █). ### 2.3 Réalisation de la maquette 1. **Matériel** : deux fils de couleur différente (ex. rouge pour le chromosome paternel, bleu pour le maternel), des perles blanches pour représenter les chromatides, un petit anneau ou un bout de carton pour le centromère. 2. **Étape monochromatidien** : enfiler une perle sur chaque fil, nouer les extrémités pour former deux brins distincts (un homologue paternel, un homologue maternel). 3. **Étape bichromatidien** : après réplication, ajouter une seconde perle sur chaque fil, puis joindre les deux brins au niveau du centromère (anneau) afin d’obtenir la structure █ ⦿ █ pour chaque homologue. 4. **Observation** : placer la maquette sur un support noir et identifier les paires homologues, noter la présence ou l’absence du doublet de perles. ### 2.4 Relation avec le cycle cellulaire - **Phase G₁** : chaque chromosome est monochromatidien (une chromatide). - **Phase S** : réplication de l’ADN → chaque chromosome devient bichromatidien (deux chromatides sœurs). - **Phase M (métaphase)** : les chromosomes bichromatidien s’alignent sur la plaque équatoriale. - **Phase Anaphase** : séparation des chromatides sœurs ; chaque chromatide devient un chromosome monochromatidien de la cellule fille. > Après la phase S, le nombre de chromatides présentes dans le noyau est égal à deux fois le nombre de chromosomes. ### 2.5 Démonstration : nombre de chromatides Soit $n$ le nombre de chromosomes d’un noyau haploïde. Pour une cellule diploïde ($2n$) : - En G₁ (monochromatidien) : nombre de chromatides $= 2n$. - Après S (bichromatidien) : nombre de chromatides $= 2 \times 2n = 4n$. En général, le nombre de chromatides vaut : $$ \text{Nombre de chromatides} = \text{nombre de chromosomes} \times \begin{cases} 1 & \text{en phase G₁}\\ 2 & \text{après la phase S} \end{cases} $$ Pour une cellule de ploïdie $p$ (nombre de jeux de chromosomes), le nombre de chromosomes vaut $p \times n$ où $n$ est le nombre de chromosomes d’un noyau haploïde. Ainsi : - En G₁ : chromatides $= p \times n$. - Après S : chromatides $= 2 \times p \times n$. > Après la phase S, le nombre de chromatides présentes dans le noyau est égal à deux fois le nombre de chromosomes. ### 2.6 Exemple 1 : cellule diploïde 2n=8 en G₁ - Nombre de chromosomes $=8$. - Chaque chromosome monochromatidien → une chromatide. - Nombre total de chromatides $=8$. ### 2.7 Exemple 2 : même cellule après la phase S - Nombre de chromosomes reste $=8$ (les chromosomes ne se comptent pas, ce sont leurs chromatides qui se dupliquent). - Chaque chromosome est maintenant bichromatidien → deux chromatides. - Nombre total de chromatides $=8 \times 2 = 16$. > Le passage de la phase G₁ à la phase S double le nombre de chromatides sans changer le nombre de chromosomes. ### 2.8 Homologie et allèles Prenons le gène responsable de la couleur des yeux chez l’humain, situé sur le chromosome 15. - L’allèle **B** (yeux bruns) est dominant sur l’allèle **b** (yeux bleus). - Chez un individu hétérozygote **Bb**, chaque homologue du chromosome 15 porte un allèle différent : le paternel porte **B**, le maternel porte **b**. - La maquette montre ainsi deux barres de couleurs différentes (rouge/bleu) chacune avec une ou deux perles selon l’état chromatidien, permettant de visualiser la répartition des allèles. ### 2.9 Applications pédagogiques - Illustration de la trisomie 21 : présence d’un troisième chromosome 21 (trois homologues au lieu d’une paire). - Simulation du crossing‑over : échange de segments entre chromatides non sœurs de deux chromosomes homologues. ## III. Synthèse du chapitre - Le matériel génétique des cellules eucaryotes se situe principalement dans le noyau et est constitué d’ADN. - La coloration de Feulgen permet de mettre en évidence cet ADN de façon spécifique ; l’intensité de la coloration est proportionnelle à la quantité d’ADN présente. - Toutes les cellules somatiques d’un même individu présentent la même intensité de coloration, illustrant la constance du génome. - Après réplication de l’ADN (phase S), chaque chromosome passe de l’état monochromatidien (une chromatide) à l’état bichromatidien (deux chromatides sœurs). - Les chromosomes homologues portent les mêmes gènes aux mêmes loci ; ils peuvent être représentés par des maquettes où chaque homologue est différencié par couleur et où le nombre de perles indique l’état chromatidien. - En phase G₁, le nombre de chromatides égale le nombre de chromosomes ; après la phase S, il vaut deux fois le nombre de chromosomes. - Ces notions sont essentielles pour comprendre la transmission des caractères héréditaires, la mécanistique de la mitose et les anomalies chromosomiques. ## Glossaire - **ADN** : acide désoxyribonucléique, polymère nucléotidique portant l’information génétique. - **Chromatine** : complexe ADN‑protéines (histones) qui constitue le chromosome dans le noyau interphasique. - **Chromosome** : structure visible de l’ADN condensée lors de la mitose, composée d’une ou deux chromatides. - **Chromatide** : chacune des deux copies d’un chromosome répliqué, reliée au centromère. - **Centromère** : région restreinte du chromosome où se rattachent les fibres du fuseau mitotique. - **Homologues** : paire de chromosomes portant les mêmes gènes aux mêmes loci, d’origine parentale différente. - **Monochromatidien** : chromosome non répliqué, constitué d’une seule chromatide. - **Bichromatidien** : chromosome répliqué, constitué de deux chromatides sœurs. - **Phase S** : période du cycle cellulaire durant laquelle l’ADN est répliqué. - **Ploïdie** : nombre de jeux de chromosomes complets présents dans une cellule (ex. diploïde 2n). - **Allèle** : variante d’un gène située à un locus donné sur un chromosome homologue. - **Feulgen** : réaction spécifique permettant de colorer l’ADN en rouge magenta après hydrolyse acide. ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 (niveau facile) Une racine de blé présente des cellules en phase G₁ contenant 14 chromosomes. **a)** Quel est le nombre de chromatides présentes dans ces cellules ? **b)** Après réplication de l’ADN (phase S), quel devient ce nombre ? **Corrigé** a) En G₁ chaque chromosome est monochromatidien → une chromatide par chromosome. Nombre de chromatides $= 14 \times 1 = 14$. b) Après S chaque chromosome devient bichromatidien → deux chromatides par chromosome. Nombre de chromatides $= 14 \times 2 = 28$. ### Exercice 2 (niveau intermédiaire) Lors d’une coloration de Feulgen sur des cellules de pointe de racine d’oignon, on mesure l’intensité moyenne $I=0,48$ pour une cellule en interphase et $I'=0,96$ pour une cellule en métaphase. **Quel est le rapport entre la quantité d’ADN de la cellule en métaphase et celle de la cellule en interphase ?** **Corrigé** La coloration de Feulgen étant proportionnelle à la quantité d’ADN, le rapport des intensités égale le rapport des quantités d’ADN : $$ \frac{ADN_{meta}}{ADN_{int}} = \frac{I'}{I}= \frac{0,96}{0,48}=2 . $$ Ainsi, la cellule en métaphase contient deux fois plus d’ADN que la cellule en interphase, conformément à la réplication de l’ADN pendant la phase S. ### Exercice 3 (niveau intermédiaire) Un élève réalise une maquette d’une paire de chromosomes homologues humains (2n=46) en état monochromatidien. Il utilise un fil rouge pour le chromosome paternel et un fil bleu pour le chromosome maternel, en ajoutant une perle sur chaque fil pour représenter la chromatide. **Combien de perles au total doit-il placer sur sa maquette ?** **Corrigé** Chaque homologue possède une chromatide → une perle par fil. Il y a deux fils (paternel et maternel) → $2$ perles. Réponse : **2 perles**. ### Exercice 4 (niveau avancé) Une cellule de poisson possède 24 chromosomes en phase G₁. Après une erreur de la méiose, un gamète reçoit 13 chromosomes au lieu de 12. **Quel type d’anomalie chromosomique ce gamète présente‑t‑il, et quelle serait la ploïdie du zygote formé par la fusion de ce gamète avec un gamète normal ?** **Corrigé** Le gamète normal devrait contenir $n = 12$ chromosomes (haploïde). Le gamète anormal en possède $13$ → il y a un chromosome en excès : il s’agit d’une **disomie** pour ce chromosome (deux copies au lieu d’une). Lors de la fécondation avec un gamète normal (12 chromosomes) : $$ \text{Zygote} = 13 + 12 = 25 \text{ chromosomes}. $$ Le zygote possède donc **25 chromosomes**, soit un excès d’un chromosome par rapport au diploïde normal (2n=24). Il s’agit d’une **aneuploïdie** de type **trisomie** (trisomie du chromosome concerné). ### Exercice 5 (niveau avancé) Dans une expérience de Feulgen, on obtient les intensités suivantes pour trois types cellulaires : - Cellule A (fibroblaste humain) : $I_A = 0,52$ - Cellule B (lymphocyte humain) : $I_B = 0,51$ - Cellule C (hépatocyte humain polyploïde 4n) : $I_C = 1,04$ **Vérifier que l’intensité de la cellule C est cohérente avec son niveau de ploïdie.** **Corrigé** Pour une cellule diploïde (2n) l’intensité moyenne vaut environ $0,5$. Une cellule tétraploïde (4n) contient deux fois plus d’ADN qu’une diploïde, donc son intensité devrait être environ $2 \times 0,5 = 1,0$. On observe $I_C = 1,04$, très proche de $1,0$ (différence de $8\%$, acceptable compte tenu des variations expérimentales). Ainsi, l’intensité mesurée confirme que la cellule C possède approximativement le double de la quantité d’ADN d’une cellule diploïde, cohérente avec son statut de 4n. ### Exercice 6 (niveau expert) On souhaite modéliser une paire de chromosomes homologues de maïs (2n=20) en état bichromatidien, en utilisant deux fils de couleurs différentes (jaune pour le paternel, vert pour le maternel). Chaque chromatide sera représentée par deux perles (une pour chaque brin d’ADn). **Déterminer le nombre total de perles nécessaires pour réaliser la maquette complète de cette paire homologue.** **Corrigé** Chaque homologue en état bichromatidien possède deux chromatides → deux brins d’ADn. Chaque brin est représenté par une perle → deux perles par chromatide. Donc par homologue : $2 \text{ chromatides} \times 2 \text{ perles/chromatide} = 4$ perles. Il y a deux homologues (paternel et maternel) → $4 \times 2 = 8$ perles au total. Réponse : **8 perles** (4 jaunes, 4 verts). ## Erreurs fréquentes 1. **Confondre chromosome et chromatide** - *Erreur* : considérer qu’un chromosome bichromatidien contient deux chromosomes. - *Correction* : rappeler qu’un chromosome est une structure d’ADN ; après réplication il possède deux chromatides sœurs mais reste un seul chromosome. 2. **Interpréter l’intensité de la coloration de Feulgen comme une mesure du nombre de chromosomes** - *Erreur* : croire qu’une intensité double signifie deux fois plus de chromosomes. - *Correction* : expliquer que l’intensité reflète la quantité d’ADN, qui double lors de la réplication (phase S) alors que le nombre de chromosomes reste constant. 3. **Oublier de distinguer les homologues lorsqu’on construit une maquette** - *Erreur* : utiliser la même couleur pour les deux chromosomes d’une paire. - *Correction* : insister sur l’utilisation de deux couleurs différentes pour représenter l’origine parentale de chaque homologue. 4. **Négliger le rôle du centromère dans la représentation bichromatidien** - *Erreur* : dessiner deux barres séparées sans les relier. - *Correction* : souligner que le centromère est le point de liaison des deux chromatides ; sans lui, la maquette ne représente pas un chromosome bichromatidien valide. 5. **Penser que toutes les cellules d’un organisme ont le même nombre de chromatides à tout moment** - *Erreur* : affirmer qu’une cellule en G₁ et une en métaphase ont le même nombre de chromatides. - *Correction* : rappeler que le nombre de chromatides varie selon la phase du cycle cellulaire (monochromatidien vs bichromatidien). 6. **Confondre ploidie et nombre de chromatides** - *Erreur* : croire qu’une cellule tétraploïde possède quatre fois plus de chromatides qu’une diploïde en G₁. - *Correction* : préciser que le nombre de chromatides dépend à la fois de la ploïdie et de l’état de réplication (G₁ vs après S). --- *Fin de la fiche de cours.*