\thumb

\begin{qcm}{Vérification des connaissances}{5} % titre , temps
Choisissez la ou les réponses exactes pour chaque série de propositions.

\begin{questions}
\item La réplication de l'ADN:

\Par

\begin{tabularx}{\linewidth}{@{}l@{\xspace}X@{}}
\choix & nécessite de l'énergie;\\
\choix & nécessite l'intervention des enzymes comme l'ARN polymérase;\\
\choix & se réalise grâce à la complémentarité des bases azotées;\\
\choix & se déroule dans le cytoplasme après la rupture de l'enveloppe\\
       & nucléaire.  
\end{tabularx}

\item En phase S:\resetchoix

\choix la quantité d'ADN reste constante;

\choix la quantité de chromatides reste constante;

\choix le nombre de chromosomes est doublé;

\choix la quantité d'ADN double.

\item La réplication de l'ADN est un processus :\resetchoix

\Par

\begin{tabularx}{\linewidth}{@{}l@{\xspace}X@{}}
\choix & au cours duquel la double hélice parentale reste intacte et une deuxième\\
       & copie entièrement nouvelle est créée;\\
\choix & au cours duquel chaque brin des deux nouvelles molécules d'ADN\\
       & contient un mélange d'anciennes parties et de parties nouvellement\\
       & synthétisées;\\
\choix & au cours duquel les deux brins de la double hélice parentale se\\
       & séparent et chacun d'eux sert de modèle pour la synthèse d'un\\
       & nouveau brin complémentaire;\\
\choix & qui se déroule pendant la mitose.
\end{tabularx}
\end{questions}
\end{qcm}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item La réplication de l'ADN:

\choix[a] et \choix[c] EXACT.

\choix[b] FAUX, elle fait intervenir l'ADN polymérase.

\choix[d] FAUX, elle se déroule dans le noyau.

\item En phase S:

\choix[a] et \choix[b] FAUX, la quantité d'ADN est doublée (on passe d'une à deux chromatides, or une chromatide = une molécule d'ADN).

\choix[c] FAUX, le nombre de chromosomes ne change pas.

\choix[d] EXACT.

\item La réplication de l'ADN est un processus :

\choix[a] FAUX, cette proposition correspondrait à un modèle conservatif. 

\choix[b] FAUX, cette proposition correspondrait à un modèle dispersif.

\choix[c] EXACT, c'est un modèle semi-conservatif.

\choix[d] FAUX, elle se déroule pendant la phase S. 
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 2

\begin{exo}{Vérification des connaissances}{Lycée Sainte Marie, Créteil}{1}{5} 
Expliquer en quelques lignes comment se déroule la réplication de l'ADN.
\end{exo}

\begin{corrige}
Pendant la phase S, la réplication de l'ADN permet de doubler la quantité de chromatides. Pour cela, un complexe enzymatique ouvre la double hélice d'ADN, séparant localement les deux brins qui serviront de matrice pour la synthèse de deux nouveaux brins. Par complémentarité, les nucléotides libres du noyau se fixeront sur les nucléotides de chaque brin grâce à l'action de l'ADN polymérase. Ainsi, la réplication est dite semi-conservative car chaque molécule sera formée d'un brin parental et d'un brin nouvellement synthétisé. 
\end{corrige}

%%% 3

\begin{exo}{L'action d'un antibiotique}{Lycée Sainte Marie, Créteil}{1}{10} 
\enlargethispage*{3em}
L'ADN gyrase ou gyrase est une protéine qui intervient dans la réplication du chromosome circulaire des bactéries. Elle permet la réplication en induisant un surenroulement négatif dans l'ADN, permettant à l'ADN polymérase de jouer son rôle de réplication. Un certain nombre d'antibiotiques ont pour cible la gyrase des bactéries, comme les quinolones ou les fluoroquinolones. La quinone, par exemple, vient se loger sur la gyrase précisément au niveau du site destiné à fixer et dérouler l'ADN.  

\Par

Expliquez, comment de tels antibiotiques peuvent stopper une infection bactérienne. 
\end{exo}

\begin{corrige}
Dans le sujet proposé, on nous indique que des antibiotiques, tels que la quinone, viennent se placer au niveau du site de la gyrase destiné à fixer et dérouler l'ADN. En se fixant sur ce site, on peut supposer que cette molécule empêche l'action de la gyrase, ce qui entraine un non déroulement de l'ADN. L'ADN polymérase ne pourra donc pas répliquer son ADN et donc assurer une copie de l'information génétique, nécessaire au bon déroulement du cycle cellulaire. La gyrase étant spécifique des bactéries, agir sur cette protéine revient à bloquer la multiplication cellulaire, donc l'infection bactérienne. 
\end{corrige}

%%% 4

\begin{exo}{Réplication et mitose}{Lycée Saint-Martin, Rennes}{3}{20} 
Lorsqu'une cellule est cultivée dans un milieu contenant de la bromodésoxyuridine (BrdU), cette molécule est incorporée lors de la synthèse de l'ADN à la place de la thymine. À chaque réplication de l'ADN dans ce milieu, les nouveaux brins contiennent de la BrdU. Si on traite les chromosomes mitotiques par le colorant de Giemsa,
les chromatides sont très peu colorées si leur ADN a incorporé la BrdU sur les deux brins. Elles sont normalement colorées si un seul de leur brin d'ADN a incorporé la BrdU ou si aucun n'en contient.

Des cellules de Cobaye, cultivées jusque là sur un milieu normal, sont prélevées en début d'interphase et placées dans un milieu de culture avec BrdU. Au cours d'un des cycles cellulaires suivants, on colore les chromosomes au Giemsa et on les observe (voir document ci-dessous).

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{043_2_exo4}
\figcaption{Observation de chromosomes après culture avec BrdU et coloration.}
\end{center}
\end{figure}

\begin{questions}
\item D'après vos connaissances, schématisez la structure d'une portion de molécule d'ADN à six paires de bases au début de l'expérience en y plaçant au moins deux adénines.

\item En suivant le devenir de cette portion de molécule d'ADN, indiquez à quel moment du cycle et au cours de quel cycle cellulaire l'observation a été réalisée.
\end{questions}
\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item Les cellules étant cultivées sur milieu normal, les chromosomes prélevés en début d'interphase (phase G1) auront, d'après les indications de l'exercice la structure moléculaire suivante:

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{049_2_exo4-2}
\figcaption{Molécule d'ADN à 6 paires de bases d'un chromosome
à 1 chromatide en début d'expérience (phase G1).}
\end{center}
\end{figure}

\item On observe sur le document que les chromosomes présentent tous une chromatide normalement colorée et une chromatide peu colorée. Ces chromosomes ayant 2 chromatides, ils ont été photographiés en début de mitose (vraisemblablement en métaphase). Voyons comment au cours des cycles cellulaires et compte tenu de la composition du milieu de culture, de tels chromosomes ont été observés.

Les cellules étant placées en milieu contenant de la BrdU (notée B sur le schéma), elles réaliseront leur 1\iere{} phase S en intégrant la BrdU à la place de la thymine. La réplication étant semi-conservative, l'association des brins parentaux et néosynthétisés se
fera de la façon suivante :

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{049_2_exo4-3}
\figcaption{Structure moléculaire des 2 chromatides d'un chromosome
après 1 phase S sur milieu avec BrdU.}
\end{center}
\end{figure}

Au moment de la métaphase de la mitose suivant le premier cycle de réplication, les chromatides étant constituées d'un seul brin contenant de la BrdU, elles apparaîtront normalement colorées.

Les chromosomes observés dans l'expérience ne correspondent pas à ce cas de figure. Envisageons donc ce qui se passera après un deuxième cycle de réplication de l'ADN en présence de BrdU.

Les cellules-filles issues de la mitose du premier cycle cellulaire auront des chromosomes dont la chromatide aura (en phase G1) un brin d'ADN contenant de la BrdU et un brin n'en contenant pas. Après une phase S, en présence de BrdU, la structure moléculaire des deux chromatides sera la suivante :

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{050_2_exo4-4}
\figcaption{Structure de l'ADN d'un chromosome après 2 cycles cellulaires sur milieu avec BrdU.}
\end{center}
\end{figure}

Le schéma précédent montre que les chromosomes à deux chromatides issus du 2\ieme cycle de réplication de l'ADN en présence de BrdU possèdent une chromatide composée de deux brins avec BrdU qui apparaîtra faiblement colorée en métaphase et une chromatide constituée d'un seul brin d'ADN avec BrdU associé à un brin sans BrdU.

Cette chromatide apparaîtra donc normalement colorée en métaphase.

Ce cas de figure correspond exactement aux chromosomes observés expérimentalement. L'observation réalisée a donc été faite sur des cellules ayant été cultivées pendant deux cycles cellulaires sur milieu avec BrdU.
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 5

\begin{exo}{Expérience de Meselson et Stahl}{Lycée Charlemagne, Paris}{3}{30}\label{ch2exo5}
\enlargethispage*{2em} 
Après avoir analysé les résultats de l'expérience de Meselson et Stahl (1958), montrez comment elle a permis de prouver que la réplication de l'ADN est semi-conservative et non pas conservative (illustrez l'interprétation des résultats à l'aide de schémas; la molécule d'ADN sera simplement représentée par deux traits correspondant aux deux brins de la molécule).

\newpage

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{044_2_exo5}
\figcaption{Expérience de Meselson et Stahl.}
\end{center}
\end{figure}

\Par\Par

\textit{Principe de l'expérience de Meselson et Stahl:}

Placée sur un milieu de culture favorable, la bactérie Escherichia coli se divise activement. La réplication de l'ADN y est donc très active. Les bactéries sont normalement cultivées sur un milieu dans lequel les précurseurs azotés nécessaires à la synthèse de l'ADN contiennent uniquement de l'ADN léger $^{14}$N. On peut aussi les cultiver sur un milieu contenant de l'azote lourd $^{15}$N. Dans ce cas, l'ADN ne contiendra que de l'azote $^{15}$N. On extrait de l'ADN de bactéries provenant de chacune de ces cultures et on le centrifuge à grande vitesse, après l'avoir mélangé à une solution de densité
appropriée. Les tubes 1 et 2 présentent les résultats observés.

\newpage

\textit{Résultat d'une culture sur deux milieux successifs différents:}

Des bactéries cultivées depuis de nombreuses générations sur un milieu contenant de l'azote $^{15}$N sont prélevées et transférées sur un milieu contenant de l'azote $^{14}$N. Après ce transfert, on prélève, à différents moments, des bactéries et une quantité égale de
leur ADN est soumise à centrifugation. Puis on mélange ces bactéries à une solution de densité appropriée. Les tubes 3 et 4 présentent les résultats observés.
\end{exo}

\begin{corrige}
\label{ch2exo5corr}
Nous cherchons à montrer que l'expérience historique de Meselson et Stahl a permis de valider l'hypothèse d'une réplication semi-conservative de l'ADN et non d'une réplication conservative. Pour chaque résultat observé (tube 3 puis 4) nous envisagerons
les deux hypothèses et confronterons les résultats attendus sous ces hypothèses à ceux observés par Meselson et Stahl.

\begin{questions}
\item Résultats attendus sous les deux hypothèses au cours de la première étape de l'expérience de Meselson et Stahl : \textit{voir figure page suivante.}

\Par

Sous l'hypothèse selon laquelle la réplication de l'ADN est conservative, Meselson et Stahl auraient dû obtenir dans le tube 3 deux types d'ADN double brin : de l'ADN $^{15}$N, de densité 1,80 correspondant à l'ADN conservé des bactéries s'étant développées
pendant de nombreuses générations sur le milieu enrichi en $^{15}$N et de l'ADN $^{14}$N de densité 1,65 correspondant à l'ADN néoformé sur milieu ne contenant que de l'azote $^{14}$N.

\newpage

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{051_2_exo5-2}
\figcaption{Comparaison des résultats attendus pour le tube 3
de l'expérience de Meselson et Stahl.}
\end{center}
\end{figure}

\Par

Le document montre que ce n'est pas ce que les expérimentateurs ont obtenu. Leurs résultats correspondent à ceux attendus sous l'hypothèse d'une réplication semi-conservative, dans laquelle chaque brin néoformé s'associe à un brin parental. Dans ce cas, un seul type d'ADN double brin, de densité intermédiaire (1,72) est obtenu. L'hypothèse d'une réplication semi-conservative est donc validée par le premier résultat expérimental.

\item Résultats attendus sous les deux hypothèses au cours de la 2\ieme étape de l'expérience de Meselson et Stahl: \textit{voir figure page suivante.}

\Par

Dans la 2\ieme phase de l'expérience de Meselson et Stahl, les bactéries sont cultivées pendant la durée d'un deuxième cycle cellulaire sur un milieu ne contenant que de l'ADN $^{14}$N. Dans ces conditions et sous l'hypothèse 1 (mode de réplication conservatif),
les expérimentateurs auraient dû obtenir dans le tube 4 de nouveau 2 types d'ADN de densité 1,80 et 1,65; ce dernier étant présent en quantité 3 fois supérieure au précédent. Là encore, le résultat expérimental réel ne correspond pas à celui attendu : la réplication ne peut donc se faire suivant le mode conservatif. Sous l'hypothèse
d'une réplication semi-conservative, deux types d'ADN sont attendus, en proportions égales : de l'ADN de densité intermédiaire 1,72 et de l'ADN « léger » de densité 1,65.

Ce résultat est effectivement celui obtenu par les expérimentateurs.
Cette deuxième phase de l'expérience confirme donc la validité de l'hypothèse 2 : la réplication de l'ADN chez les bactéries se fait selon le mode semi-conservatif.

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{052_2_exo5-3}
\figcaption{Comparaison des résultats attendus pour le tube 4
de l'expérience de Meselson et Stahl.}
\end{center}
\end{figure}

\Par

Ainsi, les expériences de Meselson et Stahl ont démontré que la réplication de l'ADN chez les bactéries se fait exclusivement selon le mode semi-conservatif qui associe à chaque brin néoformé par synthèse d'ADN, un brin anciennement synthétisé (brin parental).
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 6

\begin{exo}{Mesure de la vitesse de réplication}{Lycée Sainte Marie, Créteil }{2}{20} 
Des cellules humaines sont cultivées pendant 20 min en présence d'un nucléotide fluorescent vert, puis pendant 20 min en présence d'un nucléotide fluorescent rouge. Ces nucléotides ne peuvent être incorporés que dans l'ADN en cours de réplication. À l'issue du marquage, les molécules d'ADN sont observées en microscopie à fluorescence. Cette technique permet de mesurer la vitesse de réplication qui s'obtient en divisant la longueur du segment de couleur (verte ou rouge) par le temps d'incubation en présence du nucléotide fluorescent. On peut l'appliquer aussi bien sur les chromosomes nucléaires que sur l'ADN contenu dans certains organites des cellules eucaryotes (mitochondries et chloroplastes). 

\Par

\textit{Document 1 : résultat expérimental d'un double marquage chromosomique par nucléotides fluorescents verts et rouges.}

\Par

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{045_2_exo6}

\Par

ORI : Origine de réplication, 1kb = \numprint{1000} paires de bases
\end{center}
\end{figure}

\Par

\textit{Document 2 : vitesse de réplication et nombre d'origines de réplication chez différents organismes.}

\Par

\begin{center}
\begin{tabular}{|Z{m{17mm}}|>{\centering\arraybackslash}Z{m{15mm}}|>{\centering\arraybackslash}Z{m{15mm}}|>{\centering\arraybackslash}Z{m{20mm}}|}
\tabulartitle\hline
Organisme&
Taille du génome (en pb)&
Nombre d'origines de réplication&
Vitesse de réplication
(en paires de bases/min)\\
\hline
Bactérie&
$4,6 \times 10^6$&
1&
\numprint{60000}\\
\hline
Levure&
$12 \times 10^6$&
500&
\numprint{3600}\\
\hline
Mouche du fruit&
$1,2 \times 10^8$&
\numprint{3500}&
\numprint{2600}\\
\hline
Souris&
$3 \times 10^9$&
\numprint{25000}&
\numprint{2200}\\
\hline
\end{tabular}
\end{center}

\newpage

\begin{questions}
\item Calculez la vitesse de réplication dans les cellules humaines.
\item Comparez les vitesses de réplication des différents organismes. 

Que remarquez-vous ?
\item Le génome humain a une taille proche de celui de la souris.

Calculez le temps nécessaire à la réplication complète du génome d'une cellule humaine dans le cas d'une seule origine de réplication par chromosome. Est-ce compatible avec vos connaissances sur le temps de génération des cellules humaines ? Qu'en déduisez-vous ? 
\end{questions}
\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{questions}
\item En utilisant l'échelle fournie en milliers de paires de bases, on mesure la longueur de l'un des segments (vert ou rouge). La longueur obtenue est d'environ \numprint{28000} paires de bases. Le temps d'incubation de chaque marqueur étant de 20 min, on en déduit que la vitesse de réplication dans une cellule humaine est de l'ordre de \numprint{1400} paires de bases par minute. 

\enlargethispage*{2em}
\item Le tableau comporte un organisme procaryote (la bactérie) et trois organismes eucaryotes. On constate que la vitesse de réplication chez les organismes procaryotes est très supérieure à la vitesse de réplication chez les organismes eucaryotes. La vitesse de réplication dans la cellule humaine est la plus faible de tous les organismes présentés ici. 

\item La taille du génome indiqué correspond toujours à une cellule haploïde, donc dans le cas de l'Homme à une cellule à 23 chromosomes. On réalise plusieurs approximations avant de poser le calcul : chaque origine de réplication débute au milieu de chaque chromosome et conduit donc à 2 fourches de réplication, les chromosomes sont tous de même taille. 

Avec une vitesse de réplication de \numprint{1400}~pb/min, le temps nécessaire à la réplication d'un génome de \numprint{3109}~pb est de $\dfrac{\numprint{3109}}{\numprint{1400}\times23,2}=\numprint{46583,8}$~minutes, soit environ 32 jours et huit heures. 

Ce résultat n'est pas compatible avec le temps de génération de quelques cellules humaines comme les cellules souches de la peau (24 h) ou les cellules de l'intestin (15 h). On peut en déduire qu'il existe de très nombreuses origines de réplication dans les cellules humaines, comme le suggèrent d'ailleurs les données sur les cellules de souris. 
\end{questions}
\end{corrige}

%%% 7

\begin{exo}{Réplication et expérience de Taylor }{Lycée Sainte Marie, Créteil}{2}{30} 
Après avoir analysé le document qui suit et en vous appuyant sur les informations qu'il fournit, vous montrerez que l'expérience de Taylor conduit à la même réponse que celle de Meselson et Stahl concernant le mode de réplication de l'ADN.

En 1957, quatre ans après la découverte de l'ADN, Taylor met en culture de jeunes plantules dans un milieu nutritif contenant un « précurseur marqué » de l'ADN.


\Par

\textit{Principe de l'expérience.}

\Par

Ce précurseur est le nucléotide T de l'ADN dans lequel certains atomes d'hydrogène ont été remplacés par l'isotope radioactif de cet élément, le tritium (3H). Lorsque les cellules répliquent leurs molécules d'ADN, elles incorporent ce précurseur et l'ADN formé devient radioactif. Cette molécule est alors détectable par la technique d'autoradiographie : les cellules en culture sont écrasées et mises en contact avec un film radiographique.


Le rayonnement émis par les molécules radioactives impressionne le film, formant ainsi des taches noires qui révèlent la position de ces molécules dans la cellule. Pour qu'une chromatide soit radioactive, il suffit que la molécule d'ADN qui la constitue ait un brin sur deux marqué par le tritium. 

\Par

\textit{Protocole expérimental.}

\Par

\begin{itemize}
\item Des plantules ayant été préalablement cultivées sur un milieu non-radioactif, sont cultivées pendant la durée d'un cycle cellulaire sur un milieu radioactif. Taylor prélève alors des racines et réalise une première autoradiographie (1). 

\item Après un lavage soigneux pour éliminer toute trace de marqueur radioactif, les plantules sont ensuite transférées dans un milieu non radioactif et traitées à la colchicine (qui bloque les mitoses en métaphase). Une seconde autoradiographie (2) est réalisée après un second cycle cellulaire, puis après un troisième cycle cellulaire (3).
\end{itemize}

\textit{Schématisation de l'expérience.}

\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{047_2_exo7-1}%
\end{center}

\textit{Résultats et schémas interprétatif.}

\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{047_2_exo7-2}%
\end{center}
\end{exo}

\begin{corrige}
\begin{methode}
Dans cet exercice, on vous demande de comparer les résultats de l'expérience de Taylor avec ceux de Meselson et Stahl. Il est donc indispensable de définir le problème souligné et rappeler les conclusions de Meselson et Stahl (à savoir une réplication semi-conservative), puis dans un second temps de pratiquer une démarche d'analyse en interprétant les deux autoradiographies. 
\end{methode}

Nous savons qu'au cours de leurs expériences, Meselson et Stahl ont pu démontrer que la réplication de l'ADN se faisait selon un modèle semi-conservatif : chaque brin de la double hélice sert de matrice pour la synthèse d'un nouveau brin par complémentarité des bases. Ainsi les deux chromatides de chaque chromosome dupliqué sont formées d'un brin matrice et d'un brin nouveau. Nous allons donc démontrer en quoi les expériences de Taylor permettent d'arriver à la même conclusion.

\Par


\textit{Analyse de la première expérience.}

\Par

On constate sur la 1\iere autoradiographie que l'ensemble des chromosomes sont radioactifs : cela signifie que le tritium a été incorporé dans les deux molécules d'ADN.

\Par


\textit{Analyse de la deuxième et troisième expérience.}

\Par

On constate dans la seconde autoradiographie, lorsque l'on transfère les plantules dans un milieu non radioactif, il n'y a qu'une seule molécule d'ADN donc qu'une seule chromatide qui est radioactive
(ce qui confirme la réplication semi-conservative).

La chromatide radioactive contient de l'ADN avec un seul brin avec de la thymidine tritiée radioactive et la chromatide non radioactive contient un ADN avec deux brins non radioactifs.

La troisième autoradiographie permet de confirmer ce résultat. Plus il y aura de cycles cellulaires et plus la quantité de radioactivité sera faible. 

\Par

\textit{Conclusion :} les résultats sont similaires à ceux de Meselson et Stahl, la réplication de l'ADN est bien semi-conservative.

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics{054_2_exo7-3}

\Par

Chromosome observé après un cycle cellulaire (expérience 1)

\Par


\includegraphics{054_2_exo7-4}

\Par

Chromosome observé après deux cycles cellulaires (expérience 2)

\figcaption{Schémas d'interprétation des expériences de Taylor.}
\end{center}
\end{figure}
\end{corrige}

\thumb
\AfficheCorrige
