Partie 1 : Biologie cellulaire et génétique et santé<o:p></o:p>

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Introduction :<o:p></o:p>

La terre se caractérise par la présence d’être vivants (il nait, se nourrit, se reproduit et meurt). Les êtres vivants sont faits de cellules. Les cellules contiennent les informations génétiques de l’espece.les cellules procaryotes contiennent les informations génétiques dans le cytoplasme. Les cellules eucaryotes contiennent les informations génétiques dans le noyau. L’ADN est sous forme de gène dans les cellules.<o:p></o:p>

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Nous verrons quel est l’intérêt de la multiplication des cellules et si ce mécanisme permet aux êtres vivants de grandir, de se reproduire.<o:p></o:p>

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Chapitre 1 : expression, stabilité et variation du patrimoine génétique<o:p></o:p>

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I/ La reproduction cellulaire<o:p></o:p>

Problématique : Comment une cellule produit-elle de nouvelles cellules ?<o:p></o:p>

1/ Reproduction plus ou moins fréquente<o:p></o:p>

Question 1 page 12 <o:p></o:p>

Les bactéries E. Coli se divise toutes les 40 minutes, les paramécies toutes les 4 heures, les cellules souches de la peau toutes les 24 heures et les neurones ne se divisent pas.<o:p></o:p>

Le temps de génération  (temps nécessaire pour que la population double) est variable d’une cellule à l’autre. La production des cellules unicellulaires est plus rapide que celles des cellules pluricellulaires. {Voir TP1 « reproduction des levures}<o:p></o:p>

2/ Reproduction conforme è mitose<o:p></o:p>

Question 4 page 12<o:p></o:p>

Si l’on  compare le caryotype de deux cellules filles avec celui de la cellule mère, on remarque qu’ils sont identiques<o:p></o:p>

La division cellulaire est une production conforme qui concerne le nombre de chromosomes caractéristique d’une espèce.<o:p></o:p>

3/ Reproduction en plusieurs étapes {voir TP2}<o:p></o:p>

Question 2 page 20<o:p></o:p>

La mitose se déroule en quatre étapes :<o:p></o:p>

• La prophase : les chromosomes se condensent, l’enveloppe nucléaire disparaît et les fuseaux de divisions se mettent en place.<o:p></o:p>
• La métaphase : les chromosomes se placent au centre de la cellule dans le plan équatorial, l’enveloppe nucléaire a disparu et les fuseaux de divisions sont en place.<o:p></o:p>
• L’anaphase : les chromatides se séparent en deux lots identique et migre au pole de la cellule.<o:p></o:p>
• La télophase : la cellule s’étrangle, le cytoplasme se sépare en deux (cytodiérèse). Les chromosomes se décondensent, la membrane nucléaire réapparaît. Les fuseaux de divisions disparaissent.<o:p></o:p>

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La mitose permet le passage de la cellule mère à deux cellules filles identiques.<o:p></o:p>

Un chromosome est une association de protéines et d’ADN.<o:p></o:p>

4/ Entre 2 mitose : l’interphase {voir TP3}<o:p></o:p>

L’interphase compte 3 étapes appelées G1, S et G2.<o:p></o:p>

Une interphase et une mitose forment un cycle cellulaire<o:p></o:p>

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a)    La phase S<o:p></o:p>

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Lorsque l’on trace le graphique qui représente la quantité d’ADN en fonction du temps on observe que la quantité d’ADN double pendant la phase S. c’est donc une phase de duplication ou de synthèse de l’ADN.<o:p></o:p>

Pour cette phase, l’ADN est fibreux et est enroulé autour de protéines globulaires. Cet état est appelé la chromatine. Un chromosome est donc fourni d’ADN et de protéines.<o:p></o:p>

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Problématique : comment doubler l’information génétique ?<o:p></o:p>

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Il existe 3 hypothèses pour expliquer le doublement de l’ADN : la réplication conservative, semi-conservative ou dispersive.<o:p></o:p>

On cultive des bactéries pendant plusieurs générations dans un milieu qui contient de l’azote lourd 15N. On suit ces bactéries pendant deux cycles cellulaires après les avoir placées dans un milieu avec de l’azote léger 14N. L’azote entre dans la composition des bases A, C, T, G.<o:p></o:p>

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Résultats :<o:p></o:p>

Après une génération les bactéries ont toutes un ADN de densité moyenne. On a donc pu éliminer l’hypothèse de la réplication conservative.<o:p></o:p>

Après deux générations, les bactéries possèdent soit un ADN de densité moyenne, soit un ADN de densité faible. On a donc pu éliminer l’hypothèse de la réplication dispersive et valider celle de la réplication semi-conservative<o:p></o:p>

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Rôle de l’ADN polymérase :<o:p></o:p>

-        Ouvrir la molécule d’ADN<o:p></o:p>

-        Incorporer les nucléotides complémentaires des brins qui servent de matrice<o:p></o:p>

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b)    La phase G1<o:p></o:p>

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Pendant cette phase, le volume et la masse des cellules augmentent. Le nombre de molécules de lipides et de protéines augmente. è Il y a croissance cellulaire + synthèse moléculaire<o:p></o:p>

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c)    La phase G2<o:p></o:p>

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Le volume des cellules et le nombre de mitochondries augmentent è croissance cellulaire et multiplication des mitochondries.<o:p></o:p>

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Conclusion :<o:p></o:p>

Pendant l’interphase, la cellule se prépare à la division puisqu’elle multiplie le nombre de molécules, l’ADN et les mitochondries, qui devront se séparer en deux lots identiques au moment de la mitose<o:p></o:p>

Voir bilan page 25<o:p></o:p>

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II/ variabilité génétique et mutations de l’ADN<o:p></o:p>

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Pendant la réplication et en-dehors, l’ADN subit des mutations génétiques qui vont avoir plus ou moins de conséquences. <o:p></o:p>

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Problématique : Comment les mutations sont possibles ? Comment surviennent les erreurs et que deviennent-elles ? <o:p></o:p>

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1)    Phénomène source de biodiversité : <o:p></o:p>

Cf. : TP4 Albinisme <o:p></o:p>

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Le phénotype est l’ensemble des caractères visibles ou décelables d’un individu et dépend du génotype qui est l’ensemble des gènes (portion d’ADN, séquence de nucléotides). <o:p></o:p>

Il existe plusieurs types d’albinisme, le pigment qui colore la peau est absent chez les albinos. <o:p></o:p>

Nous allons comparer les séquences du gène qui détermine la synthèse de la mélanine chez différents albinos. <o:p></o:p>

Résultats : les différentes séquences comparées montrent qu’il existe des différences qui sont la cause de mutations : <o:p></o:p>

-        certains nucléotides sont remplacés par d’autres => substitution, <o:p></o:p>

-        certains nucléotides sont éliminés => délétion,<o:p></o:p>

-        et d’autres ajoutés => insertion. <o:p></o:p>

Chaque version nouvelle du gène est appelée allèle. <o:p></o:p>

C’est l’origine de la biodiversité. <o:p></o:p>

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2)    Phénomène spontané rare : <o:p></o:p>

a)    Erreur lors de la réplication : <o:p></o:p>

Cf. : activité 3 page 85 <o:p></o:p>

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LE taux d’erreur dans la protéine de l’ADN polymérase normal est faible => elle commet quelques erreurs, mais lorsqu’elle est mutée, elle en commet davantage. En moyenne, elle fait une erreur sur 100000 nucléotides. <o:p></o:p>

b)    Altération de bases en dehors de la réplication<o:p></o:p>

La cellule est le siège de la réaction chimique qui produit des déchets. Certains de ces déchets, appelés « radicaux libres », vont oxyder la guanine et la transformer en oxo-guanine qui s’appariera avec l’adénine.<o:p></o:p>

D’où le rôle bénéfique des antioxydants dans l’alimentation qui neutralisent les radicaux libres.<o:p></o:p>

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3)    Des agents mutagènes qui augmentent la fréquence des mutations<o:p></o:p>

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-        UV<o:p></o:p>

-        Radioactivité<o:p></o:p>

-        Goudron<o:p></o:p>

Il existe deux catégories d’éléments mutagènes : <o:p></o:p>

-        Les radiations (UV, gamma)<o:p></o:p>

-        Les produits chimiques<o:p></o:p>

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Cf. : TP 5 è les UV<o:p></o:p>

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-        Le mélanome est un cancer de la peau<o:p></o:p>

-        Les sujets qui pratiquent des séances de bronzages en cabine ont davantage de risques de développer un mélanome par rapport à ceux qui ne le pratiquent pas<o:p></o:p>

-        Les néons des cabines émettent surtout des ultraviolets<o:p></o:p>

-        Les UV favorisent les mélanomes par mutations<o:p></o:p>

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-        Les levures ade2 sont de couleur rouge et elles ont la capacité de changer de couleur si elles ont mutées<o:p></o:p>

-        On expose les levures ade2 à des rayonnements UV plus ou moins longtemps si elles deviennent blanches, c’est que les UV les auront faits mutées<o:p></o:p>

-        Voir courbe page 92<o:p></o:p>

-        Plus le temps d’exposition augmente plus le pourcentage de colonies blanches augmente.<o:p></o:p>

-        Plus le nombre total de colonies ne diminuent<o:p></o:p>

-        Les UV sont donc capables de provoquer des mutations qui modifient la couleur des levures, mais ont également mortels si les mutations sont trop importantes.<o:p></o:p>

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-        Les UV provoquent bien des mutations chez les levures et c’est donc probablement l cas chez l’homme<o:p></o:p>

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Certains produits chimiques comme le benzène, la colchicine sont des molécules mutagènes.<o:p></o:p>

La molécule de benzène va s’intercaler dans la molécule d’ADN, modifier sa structure, et augmenter les risques d’erreur de l’ADN polymérase.<o:p></o:p>

La colchicine va empêcher la formation de fuseaux de division ce qui favorise la polyploïdie (nombre anormalement élevé de chromosomes)<o:p></o:p>

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4)    Les erreurs réparées<o:p></o:p>

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Livre page 88<o:p></o:p>

1/ On observe que le nombre de mutations (dimères de thymine) augmente sous l’action des UV chez les sujets atteint de xeroderma pigmentosum. <o:p></o:p>

Il doit donc exister chez les individus sains un système de réparation des dimères de thymine, et ce système est inscrit dans les gènes<o:p></o:p>

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2/ Les dimères de thymine sur un brin d’ADN entrainent la déformation de la molécule d’ADN, qui sera moins lisible pour l’ADN polymérase.<o:p></o:p>

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3/ Il existe un système de réparation dont l’enzyme XPA fait partie. Cette enzyme ne fonctionne pas chez les individus atteints de xeroderma.<o:p></o:p>

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4/Certaines cellules meurent pour des doses faibles d’UV (2.5 J/m²). Ce sont les cellules A. <o:p></o:p>

D’autres cellules meurent pour des doses un peu plus élevées (8 J/m²). Ce sont les cellules C.<o:p></o:p>

Les cellules normales survivent bien même pour des doses massives d’UV.<o:p></o:p>

Lorsqu’on insère le gène responsable de la fabrication de l’enzyme XPA dans les cellules A, elles deviennent normales donc les cellules A possèdent le gène muté XPA.<o:p></o:p>

Même chose pour le groupe C avec le gène XPC.<o:p></o:p>

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Il faut donc plusieurs protéines (XPA et XPC) pour réparer les dimères de thymine.<o:p></o:p>

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Autre moyen : l’ADN polymérase vérifie le bon appariement des nucléotides ajoutés et les remplace en cas d’erreur.<o:p></o:p>

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5)    Le devenir des erreurs non réparées<o:p></o:p>

Seules les cellules cancéreuses possèdent une version mutée du gène responsable du cancer (dans la famille A)<o:p></o:p>

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Toutes les cellules (cancéreuses et normales) possèdent un allèle normal et un allèle muté è les deux versions du gène (dans la famille B)<o:p></o:p>

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Dans la famille A, le cancer est du à des mutations par substitution dans les cellules somatiques (qui deviennent alors cancéreuses)<o:p></o:p>

Dans la famille B, comme toutes les cellules ont le même patrimoine génétique, le cancer est héréditaire (lignée germinale)

Si les mutations n’empêchent pas la survie des cellules, elles peuvent être transmises

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a)     Dans les cellules somatiques (famille A)

Si la mutation a lieu dans les cellules somatiques et qu’elles se divisent, alors la mutation va être transmise aux cellules filles (cancer non héréditaire)

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b)     Dans les cellules germinales (famille B)

Si les mutations ont lieu dans les cellules germinales (futures ovules ou futurs spermatozoïdes) la mutation est transmise aux générations suivantes (héréditaires)

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III.        L’expression du patrimoine génétique<o:p></o:p>

Problématique : comment l’information contenue dans l’ADN s’exprime ?<o:p></o:p>

1)   Relation ADN-Protéines<o:p></o:p>

La GFP est une protéine fluorescente qui est un caractère héréditaire.

L’ADN contient les informations nécessaires à la synthèse de la GFP.

En position 65 l’acide aminé de la GFP est la tyrosine et l’acide aminé de la BlueFP est l’histidine.

Ainsi la modification d’un acide aminé provoque une fluorescence différente.

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En position 196 le nucléotide de la GFP est une thymine et celle de la BlueFP est une cytosine.

Ainsi la modification d’un nucléotide provoque la modification de la séquence de protéines.

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Les différents gènes de la séquence d’ADN déterminent la séquence d’acide aminé qui détermine la séquence de protéines.

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2)   De l’ADN à la protéine<o:p></o:p>

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L’ADN est localisé dans le noyau. Les protéines sont localisées dans le cytoplasme

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Problématique : comment l’information génétique nucléaire conduit-elle à une synthèse protéique cytoplasmique ?<o:p></o:p>

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L’ARN est localisé dans le noyau et dans le cytoplasme.

L’ARN a le rôle d’intermédiaire entre l’ADN et les protéines

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Expérience :<o:p></o:p>

·        On met du lactose dans un milieu de culture

·       On dose la quantité d’ARN et de B-galactosidase

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Il y a augmentation de l’ARN suivi d’une augmentation de la B-galactosidase

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Expérience : <o:p></o:p>

·       Injection d’ARN dans des cellules cultivées avec du lactose dans des cellules sans lactose.

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Il y a synthèse de la B-galactosidase

Le lactose permet la synthèse d’ARN qui permet la synthèse protéique è intermédiaire ADN-protéines

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L’ARN passe du noyau vers le cytoplasme en passant par les pores nucléaires.

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3)   De l’ADN à l’ARN : la transcription (TP6)<o:p></o:p>

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L’ARN est simple brin et est complémentaire au brin transcrit d’ADN. Il contient des nucléotides uraciles à la place des thymines

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Problématique : Comment l’ARN est-il synthétisé ?<o:p></o:p>

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Une enzyme, l’ARN polymérase se fixe sur l’ADN, ouvre la molécule et incorpore par complémentarité du brin transcrit les nucléotides A, C, G, U.

La molécule d’ARN est polymérisée puis se détache. Tout se processus s’appelle la transcription.

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4)   De l’ARN aux protéines : la traduction (TP7)<o:p></o:p>

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Dans le cytoplasme des protéines appelées ribosomes vont se fixer sur la molécule d’ARN messager au niveau du codon initiateur AUG. Il incorpore alors un acide aminé appelé méthionine (premier acide aminé de la chaine protéique) c’est l’initiation.

Il lit les nucléotides trois par trois, glisse le long de l’ARN messager et incorpore les acides aminés correspondant. Une liaison entre deux acides aminés est appelé une liaison peptidique : c’est l’élongation. Quand le ribosome rencontre un codon stop, il s’arrête se détache, la synthèse protéique est terminé : c’est la terminaison.

Ces trois étapes sont la traduction.

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5)    La maturation <o:p></o:p>

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·       Les organismes simples ont plus de gènes que les organismes complexes. On peut donc affirmer que la complexité d’un organisme ne dépend pas du nombre de gènes qu’il possède.

·       On a comparé dans le TP 8 les séquences d’ADN et d’ARN messager de la globine alpha ==W l’ARN messager a une séquence plus courte que l’ADN

·       La séquence d’ADN contient des nucléotides appelés non codant qui ne permettent pas la synthèse protéique et les nucléotides codant qui seront traduit en acide aminé.

·       L’ADN est transcrit en ARN pré-messager. Puis l’ARN subit un épissage c’est-à-dire les séquences non codantes sont éliminés. Il ne reste alors que les séquences codant dans la molécule d’ARN messager.

·       Un intron est la partie non codante de l’ADN. Un exon est la partie non-codante de l’ADN.

·       L’épissage alternatif permet à un organisme de synthétiser à synthétiser à partir d’un gène plusieurs protéines grâce à l’élimination de plus de séquences codantes. Donc un organisme peut être plus complexe qu’un organisme simple incapable de faire un épissage alternatif

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Bilan :<o:p></o:p>

L’épissage est fait dans le noyau. La fabrication des anticorps est due au phénomène d’épissage alternatif, l’ensemble des gènes capable de faire des antibiotiques est le system HLA (human leucocytes antigens)

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IV.        Relation entre phénotype, génotype et environnement<o:p></o:p>

 

1)                    Comment caractériser un phénotype è la drépanocytose<o:p></o:p>

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·     Les symptômes de la maladie sont des anémies, des essoufflements, des vertiges, des céphalées. Mais encore des douleurs articulaires et de la fièvre.

·     Les frottis sanguins d’un individu drépanocytaire montre la présence de deux types d’hématies : certaines sont en faucilles, d’autres sont biconcaves. Alors que les individus drépanocytaire présentent un frottis où les hématies sont seulement biconcaves.

·     L’hémoglobine A d’un individu sain est soluble dans les hématies. L’hémoglobine S d’un individu drépanocytaire se forme en sorte de brindilles dans le cytoplasme de ce dernier.

·     Les hémoglobines des individus sains et des individus malades migrent différemment ce qui veut dire qu’elles ont une composition chimique différente. Les individus malades ne possèdent que l’hémoglobine malade. De plus ils ne migrent pas au même niveau. ainsi il y a une différence de charges entre 2 protéines ; donc il y une différence de séquence en acide aminés

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Echelles de phénotype
Phénotype alternatif	microscopique		Macroscopique
	moléculaire	Cellulaire	Organisme	Individu
Sain	Hb A è soluble	Hématies biconcaves	Normal	Normal
Atteint de drépanocytose	Hb S è condensé	Hématies falciforme	Caillot	Essoufflement fatigue, fièvre, etc.…

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Les protéines Hb S sont des molécules qui modifient l’aspect des hématies. Les cellules falciformes s’agglutinent et forme des caillots empêchant la bonne oxygénation des organes. L’individu a ses essoufflements, de la fatigue et des douleurs articulaires

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2)   De quoi dépend le phénotype moléculaire ?<o:p></o:p>

a)    La part du génotype<o:p></o:p>

Le gène qui code pour l’hémoglobine est situé dans le chromosome 11. Il y a deux versions du gène : Hb S et Hb A. La maladie est présente dans plusieurs générations donc elle est génétique. Les enfants II 2 et II 3 sont malades et ont des parents sains. Les parents sont porteurs de la maladie mais ne l’exprime pas. Ainsi l’allèle Hb S est récessif. En position 20 il y a une mutation par substitution d’une adénine par une thymine ce qui entraîne lors de la transcription une protéine glu par une protéine val. L’allèle muté Hb S du gène qui code pour l’hémoglobine provoque une modification de la séquence protéique. Les valines forment des liaisons chimiques avec d’autres hémoglobines qui s’agglutinent en fibre.

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b)     La part de l’environnement

Voir doc 10 page 58

L’auxine est une molécule qui déclenche la synthèse de protéines qui rendent élastiques la paroi cellulaire. L’auxine fait grandir les plantes.

Les conditions environnementales peuvent modifier le phénotype.

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Bilan

 

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