Information génétique

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1 chapitre 3 Information génétique et division cellulaire L étude de la division cellulaire est abordée pour découvrir comment est transmise et conservée l information génétique portée par les chromosomes. C est l analyse de l évolution de l ADN qui en est le révélateur. La connaissance simple des mécanismes de la division cellulaire dans la transmission de l information génétique de cellule à cellule est indispensable pour comprendre le lien entre cancer et multiplication anarchique des cellules qui le constituent. Les documents présentés en ouverture de ce chapitre sont des indices et des bases pour engager un dialogue avec les élèves sur l importance biologique de la division cellulaire et sur les risques d une perturbation de ce phénomène. Chapitre 3 Information génétique et division cellulaire

2 Q U E d o i v e n t s a v o i r l e s é l è v e s a v a n t d a b o r d e r c e c h a p i t r e? En quatrième, la notion de division cellulaire est abordée pour justifier le développement d un embryon à partir d une cellule-œuf. La connaissance est déduite de l observation de premiers stades du développement embryonnaire. Le rappel de cet acquis est important et il est à croiser avec les informations qui peuvent émerger de l analyse de l image du fœtus. Cette année, dans les chapitres précédents, les élèves ont découvert les chromosomes et leur constituant l ADN, leur fonction dans l hérédité des caractères et leur rôle de support de l information génétique. Ces connaissances sont essentielles pour la progression dans ce chapitre. L e p r o g r a m m e o f f i c i e l Le programme présente les références au socle commun de connaissances et de compétences en caractères droits. Le reste du programme est en italique. Connaissances Les cellules de l organisme, à l exception des cellules reproductrices, possèdent la même information génétique que la cellule-œuf dont elles proviennnent par divisions successives. La division d une cellule : est préparée par la copie de chacun de ses 46 chromosomes ; se caractérise par la séparation des chromosomes obtenus, chacune des deux cellules formées recevant 23 chromosomes identiques à ceux de la cellule initiale. Le cancer est le résultat d une prolifération incontrôlée de cellules. Capacités déclinées dans une situation d apprentissage Observer, questionner, formuler et valider des hypothèses afin d établir le mécanisme permettant la conservation de l information génétique au cours des divisions cellulaires. Exploiter un graphique, un vidéogramme afin d identifier les étapes de la division d une cellule. [Compétence 5] Exprimer les résulats d une recherche : réaliser un schéma représentant la répartition des chromosomes lors des divisions cellulaires. Exemples d activités Étude de documents sur le maintien du nombre de chromosomes et de l information génétique lors d une divison cellulaire. Observation de vidéogrammes, afin de suivre le devenir des chromosomes pendant la divison cellulaire. Comparaison du caryotype de la cellule-œuf à celui des autres cellules qui en sont issues. Manipulation de maquettes permettant de rendre compte du devenir des chromosomes lors de la mitose. Étude de l évoluton de la quantité d ADN au cours de la division cellulaire. L e s t h è m e s d e c o n v e r g e n c e Ce chapitre peut être intégré au thème de convergence «Santé» pour viser l objectif éducatif : «Réduction des comportements à risques liés à l environnement et aux rythmes de vie». En lien avec un point de la partie «responsabilité humaine en matière de santé», les élèves auront la possibilité de compléter voire d approfondir les connaissances et la réflexion sur les risques encourus lors d une exposition prolongée au soleil.

3 L a p r o g r e s s i o n d a n s l e c h a p i t r e Les auteurs ont eu pour objectif de mettre en place une démarche d investigation pour que l élève découvre le sens biologique de la division cellulaire (activités 1 et 2). L activité 3 est caractérisée par un apport de connaissances scientifiques sur le cancer qui complètent les acquis des deux premières activités. Introduction + Activité 1 : s informer/découvrir (50 minutes) La première activité est précédée d un dialogue qui peut être engagé à partir des documents des pages 44 et 45. L activité 1 est une activité de prise d informations. Les élèves peuvent être conduits à s interroger sur la conservation du nombre des chromosomes au cours de la division cellulaire. Activité 2 : raisonner et construire une notion (50 minutes) L activité permet de construire la notion de conservation de l information génétique au cours de la division cellulaire. Il s agit ici de mettre en parallèle le comportement des chromosomes et l évolution de la quantité d ADN au cours de la division cellulaire. Les auteurs ont choisi de faire apparaître sur le graphe (doc e) la quantité d ADN de la cellule d origine et celle de chacune des deux cellules issues de la division cellulaire. Il est important d accompagner les élèves dans la lecture de ce graphe inédit. Activité 3 : s informer scientifiquement (50 minutes) L activité est construite autour de textes et schémas sur le cancer. Les contenus scientifiques ont été adaptés pour être lus par un élève de 3 e qui doit s approprier les informations. L objectif est double : éducation à la santé et préparation de la partie «responsabilité humaine en matière de santé et d environnement». L a t e l i e r B 2 i Cette activité permet à l élève de construire ou de renforcer : une compétence informatique : «créer, produire, traiter, exploiter des données (C.3)». une compétence liée au programme de SVT : «Établir un lien entre variation de la quantité d ADN et évolution des chromosomes au cours de la division cellulaire.» L élève doit produire une représentation graphique illustrée de la variation de la quantité d ADN par cellule en fonction du temps et de l évolution de l aspect des chromosomes. Le site : propose les ressources pour réaliser cette production que l élève pourra évaluer en se référant au document de positionnement «élève» du BO du 16 novembre Chapitre 3 Information génétique et division cellulaire 3

4 activité 1 L information génétique des cellules d un être humain Objectifs visés Cette activité a pour objectif de permettre aux élèves de démontrer que toutes les cellules de l organisme, malgré leurs différences, possèdent la même information génétique, entre elles et par rapport à la cellule-œuf, dont elles proviennent par divisions successives, exception faite des cellules reproductrices. Connaissances construites Les cellules de l organisme, à l exception des cellules reproductrices, possèdent la même information génétique que la cellule-œuf dont elles proviennent par divisions successives. Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Comparer le caryotype de la cellule-œuf à celui des autres cellules qui en sont issues (documents a à g). Comparer le caryotype de cellules somatiques à celui de cellules reproductrices (documents e et h). Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre la capacité de pratiquer une démarche scientifique, notamment savoir observer, questionner, ici, des documents photographiques, puis d argumenter, en les mettant en relation, afin d atteindre les objectifs visés. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à la connaissance des caractéristiques du vivant.

5 Réponses aux questions posées 1 : Dans le noyau des cellules humaines, de la cellule-œuf aux cellules de l adulte, le nombre de chromosomes est de : Dans le noyau des cellules reproductrices, seuls 23 chromosomes sont observables. 3 : «Toutes les cellules de l organisme, exceptées les cellules reproductrices, possèdent la même information génétique». En effet, les chromosomes étant le support de l information génétique, toutes les cellules de l organisme qui possèdent le même nombre de chromosomes (46) possèdent donc la même information génétique. En revanche, les cellules reproductrices ne possédant que 23 chromosomes, elles font exception : elles ne contiennent pas la même information génétique que les autres cellules de l organisme. Matériel et mise en œuvre Les documents de cette activité, uniquement de nature photographique, doivent être envisagés, pour faire sens, après un rappel de notions acquises préalablement : en quatrième : les cellules de l organisme proviennent de la cellule-œuf par divisions successives. dans le chapitre 2 du manuel : les chromosomes présents dans le noyau sont le support de l information génétique. Ces documents constituent deux blocs qu il convient d opposer afin d atteindre les objectifs visés. La mise en relation des documents est fondée sur la présence de flèches de couleur verte dont la signification reste la même dans ces deux blocs : les chromosomes observés sont contenus dans le noyau de chaque cellule ainsi pointée dans chaque photographie. Le premier bloc correspond aux documents a à g, de la cellule-œuf aux cellules de l adulte qui, tout en illustrant le prérequis vu en quatrième permet d établir que toutes les cellules somatiques d un organisme humain possèdent 46 chromosomes (question 1) ce qui signifie, d après le second prérequis, qu elles possèdent toutes la même information génétique (question 3). Le second bloc, constitué du seul document h, ne se rapporte qu aux cellules reproductrices : il permet de montrer qu elles ne possèdent que 23 chromosomes (question 2) et donc, par opposition avec le premier bloc, qu elles ne contiennent pas la même information génétique que les autres cellules de l organisme (question 3). Ressources (bibliomédiagraphie) Des ouvrages généraux pour le professeur Bruce Alberts (Sous la direction de), Biologie moléculaire de la cellule, Flammarion Médecine-Sciences, 2004 Des sites internet Dossier SagaScience Cellule / CNRS : Des ouvrages généraux pour les élèves (pour le CDI) Sciences et Vie Junior, n 70, octobre 2007 Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom.

6 activité 2 La transmission de l information génétique de cellules en cellules Objectifs visés Cette activité a pour objectif de montrer comment l information génétique est conservée à l identique de cellules en cellules au cours des divisions cellulaires successives depuis la cellule-œuf aux cellules de l adulte. Connaissances construites La division d une cellule : est préparée par la copie de chacun de ses 46 chromosomes ; se caractérise par la séparation des chromosomes obtenus, chacune des deux cellules formées recevant 23 paires de chromosomes identiques à ceux de la cellule initiale. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à la connaissance des caractéristiques du vivant notamment les modalités du développement et du fonctionnement des organismes vivants, ici, à l échelle cellulaire. Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Exploiter des documents (textes, photographies, schémas d interprétation) sur le maintien du nombre de chromosomes et de l information génétique lors d une division cellulaire afin d en identifier les étapes (documents a à d). Interpréter une représentation graphique de l évolution de la quantité d ADN au cours de la division cellulaire (documents e et f). Exploiter un vidéogramme afin de suivre le devenir des chromosomes pendant la division cellulaire et d en identifier les étapes. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre la capacité d exploiter et d exprimer les résultats d une recherche ou d une mesure et de pratiquer la démarche scientifique notamment observer, questionner, formuler une hypothèse et la valider afin d établir le mécanisme permettant la conservation de l information génétique au cours des divisions cellulaires.

7 Réponses aux questions posées 1 : Chaque chromosome simple est copié avant la division cellulaire et forme un chromosome double. Ainsi, le nombre de chromosomes dans les deux cellules formées par division est conservé. 2 : Les documents e et f valident notre hypothèse : ils montrent comment, avant la division cellulaire, l ADN des chromosomes est copié ce qui produit, à partir de chromosomes simples non pelotonnés, des chromosomes doubles. «Au cours de la division cellulaire, la quantité d ADN est réduite de moitié dans chaque cellule mais le nombre de chromosomes ne varie pas». On constate, en effet, sur le graphique (doc e) que la quantité d ADN est multipliée par deux avant la division cellulaire, quantité double ensuite réduite de moitié par la division cellulaire. En revanche, le nombre de chromosomes, lui, ne double pas, la copie de leur ADN produisant des chromosomes doubles et non, jusqu à la division cellulaire, deux chromosomes distincts. 3 : L information génétique est conservée lorsque les cellules se divisent, car la division d une cellule est préparée par la copie de chacun de ses 46 chromosomes et se caractérise par la séparation des deux filaments de chaque chromosome double, chaque cellule formée recevant 23 paires de chromosomes simples identiques à ceux de la cellule initiale. Matériel et mise en œuvre Les supports de natures variées (textes, photographies, schémas d interprétation, graphique) de cette activité sont à mettre en œuvre à partir des conclusions de l activité 1 selon lesquelles toutes les cellules provenant de la celluleœuf par divisions successives possèdent le nombre invariable de 46 chromosomes signant la conservation de l information génétique de cellules en cellules. Il convient aussi de rappeler que chaque chromosome est constitué d ADN, notion acquise au chapitre 1 du manuel. Les documents a à d constituent le «film» d une mitose, ils contextualisent les connaissances à construire et peuvent être complétés par un vidéogramme sur la division cellulaire (voir ressources). Ils permettent aussi, par déduction, de formuler l hypothèse sur la copie des chromosomes, préalable à la division (question 1) : l élève peut observer et comprendre qu en fin de division les cellules formées possèdent le même nombre de chromosomes que la cellule initiale. Chacun des chromosomes n est formé que d un seul filament alors qu avant la division, la cellule initiale possède des chromosomes doubles. Les cellules formées étant amenées à se diviser à leur tour, elles deviennent les cellules initiales d un nouveau cycle, chacun des chromosomes est copié avant la mitose et forme un chromosome double. Le document e rend compte de l évolution de la quantité d ADN dans une cellule au cours du temps sous la forme d un graphique en trois dimensions présentant, après la division, non pas une mais deux quantités unitaires d ADN correspondant aux deux cellules issues de la division. Ce graphique est mis en relation avec les différents aspects des chromosomes au cours d un cycle cellulaire, observables dans la frise située sous le graphique calée par rapport au temps du graphique : chromosome simple non pelotonné, chromosome non pelotonné en cours de duplication dont la réalité est avérée par les électronographies du document f, chromosome double non pelotonné puis pelotonné, séparation des chromatides La division cellulaire est symbolisée, dans le graphique, par le parallélépipède de couleur rose, couleur encadrant les quatre schémas d interprétation des documents a à d, reproduits au-dessus du graphique, ainsi situés dans le cycle cellulaire présenté. Ce faisceau d informations permet de valider l hypothèse de la copie de l ADN des chromosomes et d établir les caractéristiques de la mitose (questions 2 et 3). L activité proposée dans l atelier B2i donne la possibilité aux élèves de produire un document similaire qu ils pourront conserver. Ressources (bibliomédiagraphie) voir page 5 Un vidéogramme Jean-Noël Cloarec, Jean-Claude Proust, André Videaud, La mitose, une copie conforme de l information, Jeulin Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom.

8 activité 3 Le cancer, un dérèglement de la division cellulaire Objectifs visés Cette activité a pour objectif d expliciter le lien entre division cellulaire et cancer : une tumeur est une masse cellulaire dans laquelle les cellules se divisent de façon incontrôlée et, au-delà, de présenter les facteurs à l origine d un cancer. Connaissances construites Le cancer est le résultat d une prolifération incontrôlée de cellules. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue aux connaissances relatives à l éducation à la santé et à la sécurité mais aussi à la maîtrise des connaissances sur l Homme et notamment le fonctionnement du corps humain. Les capacités et les compétences déclinées au cours de cette activité Exploiter des documents (textes scientifiques, schémas) afin d expliquer comment apparaît et se développe un cancer. Dans le cadre du socle commun des connaissances et des compétences, cette activité contribue à mettre en œuvre les capacités suivantes : dégager l idée essentielle d un texte lu, comprendre qu un effet peut avoir plusieurs causes, mobiliser ses connaissances en situation, par exemple comprendre le fonctionnement de son propre corps.

9 Réponses aux questions posées 1 : Le développement d un cancer : des gènes dont la fonction est de contrôler la division cellulaire sont, tout d abord, altérés et ne remplissent plus leur rôle, les cellules porteuses de ces gènes se divisent alors plus rapidement que les autres et forment une tumeur. Certaines cellules cancéreuses envahissent les tissus situés sous la tumeur et les détruisent ou rejoignent la circulation sanguine et se disséminent dans d autres organes dans lesquels elles développent des tumeurs secondaires ou métastases. Le cancer peut alors se généraliser et son issue être fatale. 2 : Les facteurs à l origine d un cancer : l ADN des gènes contrôlant les divisions cellulaires peut être altéré spontanément notamment avec l âge ou par des facteurs tels que des radiations (UV), le mode de vie (alcool, tabac, alimentation), des virus (papillomavirus), l hérédité, des substances chimiques. 3 : Un cancer apparaît spontanément ou sous l effet de facteurs externes ou internes à l organisme et correspond à une prolifération incontrôlée de cellule. Matériel et mise en œuvre Les textes de cette double page sont rédigés d après les brochures médicales téléchargeables de l ARC, Association pour la Recherche sur le Cancer. Ces textes sont illustrés de schémas favorisant leur compréhension et donc l autonomie des élèves dans leur exploitation afin d expliquer comment apparaît et se développe un cancer. Ressources (bibliomédiagraphie) voir page 5 Des sites internet (institut national du cancer). Les documents du manuel sont à projeter à partir du CD-Rom.

10 exercices je vérifie mes connaissances 1 QCM 1 b et c ; 2 a et c ; 3 a ; 4 b et c. 2 Vocabulaire et rédaction a Toutes les cellules de l organisme, hormis les cellules reproductrices, possèdent la même information génétique que la cellule-œuf (dont elles dérivent). b La copie de chacun des 46 chromosomes prépare la division cellulaire qui s accompagne de la séparation des deux filaments de chacun des 46 chromosomes. c Le cancer correspond à une prolifération incontrôlée de cellules. 4 Un dessin d observation 20 µm membrane plasmique chromosomes cytoplasme 3 Définitions a 1 ; b 2. j applique mes connaissances exercice guidé 5 Le premier chat cloné 1 Les étapes du clonage de Rainbow : étape 1 : prélèvement d une cellule de tissu ovarien de Rainbow. étape 2 : prélèvement d un ovule non fécondé de chatte duquel on détruit le noyau. étape 3 : transfert du noyau de cellule de tissu ovarien dans l ovule sans noyau. étape 4 : obtention d un embryon du clone. étape 5 : implantation de l embryon du clone dans l utérus d une chatte porteuse. étape 6 : naissance, après 60 jours, de Carbon copy. 2 «Cc est génétiquement identique à Rainbow» car ce chaton a été obtenu à partir du noyau d une cellule de Rainbow, noyau comportant la totalité de son information génétique. 3 Le résultat aurait été le même avec une autre cellule de Rainbow car toutes les cellules d un organisme possèdent la même information génétique (hormis les cellules reproductrices) contenue dans leur noyau Vrais jumeaux, faux jumeaux 1 Les vrais jumeaux sont issus d une seule cellule-œuf, les faux jumeaux de deux cellules-œufs. 2 «Les vrais jumeaux sont génétiquement identiques» car ils sont formés à partir de la même cellule-œuf donc de la même information génétique contenue dans son noyau. 3 Les faux jumeaux peuvent être fille et garçon car ils sont issus de deux cellules-œufs différentes résultant de deux fécondations simultanées : une cellule-œuf peut alors comporter l information génétique donnant une fille, l autre un garçon.

11 7 Cloner les vaches 1 Les étapes du clonage qui ont conduit à Marguerite : étape 1 : prélèvement de cellules de tissu musculaire sur un fœtus de vache. étape 2 : prélèvement d ovules non fécondés de vache desquels on détruit le noyau. étape 3 : transfert des cellules de tissu musculaire au contact de la membrane des ovules sans noyau. étape 4 : obtention d embryons de clones grâce à un choc électrique assurant la fusion des membranes des cellules musculaires et des ovules. étape 5 : implantation, après 7 jours de culture, des embryons de clones dans l utérus de vaches porteuses. étape 6 : naissance de Marguerite le 20/02/ Marguerite possède la totalité de l information génétique du fœtus cloné, car elle a été obtenue à partir d un noyau d une cellule musculaire de ce fœtus, noyau comportant la totalité de son information génétique. 8 Divisions cellulaires dans les racines de jacinthe 1 Photo a Photo b 2 Sur la photo a chaque chromosome apparaît constitué de deux filaments formant un chromosome double. Sur la photo b les deux filaments de chaque chromosome double se séparent et migrent à l opposé l un de l autre dans la cellule formant deux lots identiques de chromosomes simples. 3 La cellule se divise, les deux cellules formées possédant des chromosomes identiques à ceux de la cellule initiale. 9 Quantité d ADN et division cellulaire Quantité d ADN dans une cellule en fonction du temps 2,5 quantité d ADN (en unités arbitraires) 2 1,5 1 0, temps (en heures) Chapitre 3 Information génétique et division cellulaire 11

12 exercices 10 Dépister un mélanome 1 Les cinq changements d aspect des grains de beauté pouvant signifier la survenue d un mélanome : A : la forme devient asymétrique B : les bords deviennent irréguliers C : la couleur devient multiple D : la dimension dépasse les 5 mm E : le changement d aspect est rapide. 2 Le cancer correspond à une prolifération non contrôlée de cellules, les cellules au niveau du mélanome se multiplient de façon anarchique et ainsi, les bords du grain de beauté deviennent irréguliers. 11 Le cancer du sein 1 Les principaux facteurs de risque de développement d un cancer du sein sont l âge («Les deux tiers des cancers du sein se développent chez des femmes de plus de 50 ans»), les anomalies génétiques («Grâce aux recherches en génétique, il a été possible de dépister des anomalies particulières qui prédisposent fortement au cancer du sein qui survient chez les femmes jeunes») et les antécédents familiaux («Une femme dont la mère ou la sœur a déjà eu un cancer du sein risque deux fois plus que les autres femmes de développer la maladie»). 2 Une femme doit être particulièrement vigilante pour prévenir le développement d un éventuel cancer du sein à partir de 40 ans («Après 40 ans, les statistiques nous apprennent que le risque d avoir un cancer du sein se multiplie une fois et demie tous les dix ans»). 3 Les précautions ou examens simples à réaliser pour prévenir un cancer du sein : autopalpation des seins, palpation par le médecin et mammographie tous les un ou deux ans selon les facteurs de risque. 12