Exercices: L'ADN et l'ARN

Expliquer ce qu'est l'ADN, quel type d'information il contient et dans quelle partie d'une cellule eucaryote se trouve la plus grande partie de cette molécule.

Nommer les quatre bases azotées de l'ADN et expliquer la règle d'appariement que suit la double hélice.

Le schéma montre un fragment de double hélice d'ADN. Indiquer ce que représentent les repères 1 et 2, et compléter les bases manquantes sur les barreaux signalés par ?, sachant que A s'apparie toujours avec T et G avec C.

Expliquer ce qu'est un nucléotide et nommer ses trois composants. Lequel varie d'un nucléotide à l'autre et constitue la « lettre » de l'information génétique ?

La double hélice d'ADN ressemble à un escalier en colimaçon. Expliquer quelles molécules forment les « montants » de l'escalier et lesquelles forment les « marches », et comment les composants de chaque marche sont liés entre eux.

Classer par ordre croissant de taille ces structures et expliquer en une phrase ce qu'est chacune : chromosome, cellule, gène, nucléotide, noyau.

Dans l'ADN d'une espèce, $22\ \%$ des bases sont de la thymine. Calculer quel pourcentage il y aura d'adénine, de guanine et de cytosine, et expliquer le raisonnement.

Les deux chaînes de l'ADN sont antiparallèles : l'une parcourt la double hélice dans le sens 5' vers 3' et l'autre dans le sens 3' vers 5'. Expliquer à l'aide d'une comparaison ce que signifie qu'elles soient antiparallèles et ce qu'indiquent les repères 5' et 3'.

Indiquer trois différences entre l'ADN et l'ARN : le sucre qu'ils contiennent, le nombre de chaînes et l'une de leurs bases azotées.

Expliquer ce qu'est un gène et décrire sa relation avec l'ADN, les chromosomes et les protéines.

Avant de se diviser, la cellule copie tout son ADN par la réplication. Expliquer en quoi consiste ce processus et pourquoi on dit qu'il est semi-conservatif : quelles chaînes forment chaque molécule d'ADN fille et quel rôle joue la complémentarité des bases pour que la copie soit exacte.

Dans une molécule d'ADN, $18\ \%$ des bases sont de la guanine. Calculer les pourcentages de cytosine, d'adénine et de thymine, et expliquer chaque étape du raisonnement.

Une chaîne d'ADN a pour séquence 5'-ATG CCG TTA-3'. Écrire la séquence de la chaîne complémentaire, en indiquant aussi son orientation, et expliquer ce que vous avez pris en compte.

La réplication de l'ADN a lieu avant que la cellule se divise par mitose. Expliquer pourquoi il est indispensable qu'elle ait lieu dans cet ordre et ce qu'il adviendrait de l'information génétique des cellules filles si une cellule se divisait sans avoir copié son ADN auparavant.

Comparer l'organisation de l'ADN chez une bactérie et dans une cellule eucaryote : où il se trouve, combien de chromosomes il y a généralement et quelle forme ils ont.

Pendant des décennies, on a cru que le matériel héréditaire était constitué de protéines et non d'ADN. Justifier quelles trois propriétés toute molécule doit posséder pour pouvoir être le matériel héréditaire et expliquer pourquoi l'ADN les possède.

Une équipe d'astrobiologie analyse le matériel génétique d'un micro-organisme extraterrestre. Elle découvre qu'il est constitué de deux chaînes face à face, mais observe deux anomalies par rapport à l'ADN terrestre : 1) le diamètre de la double hélice n'est pas constant, mais présente des élargissements et des rétrécissements continus ; 2) les deux chaînes progressent dans la même direction (toutes deux dans le sens $5' \to 3'$). En utilisant les principes de complémentarité des bases puriques/pyrimidiques et d'antiparallélisme proposés par Watson et Crick, justifier quel type d'appariements chimiques provoquerait ces irrégularités d'épaisseur et prévoir quelle difficulté physique ou enzymatique présenterait une double hélice parallèle lors de la réplication cellulaire.

Un laboratoire analyse la composition en bases azotées du matériel génétique extrait de trois virus différents et obtient les résultats suivants :

• Virus 1 : $30\ \%$ d'adénine, $30\ \%$ de thymine, $20\ \%$ de guanine, $20\ \%$ de cytosine.

• Virus 2 : $30\ \%$ d'adénine, $20\ \%$ de thymine, $22\ \%$ de guanine, $28\ \%$ de cytosine.

• Virus 3 : $30\ \%$ d'adénine, $30\ \%$ d'uracile, $20\ \%$ de guanine, $20\ \%$ de cytosine.

Déterminer, en justifiant, pour chaque virus : quel type d'acide nucléique il possède (ADN ou ARN) et si son brin est monocaténaire ou bicaténaire. Justifier en outre pourquoi le virus 2 ne contredit pas les lois de la chimie bien que ses pourcentages d'adénine et de thymine ne coïncident pas.

Dans un laboratoire, un médicament expérimental est testé sur une culture cellulaire. Le composé se fixe de façon irréversible aux histones et empêche l'ADN de se dérouler des nucléosomes.

1. a) Prévoir quels deux processus moléculaires indispensables à la cellule seront immédiatement bloqués et justifier pourquoi à l'échelle moléculaire.
2. b) Si une cellule dont l'ADN est déjà dupliqué entame la mitose et parvient à condenser ses chromosomes, mais que le médicament l'empêche de les décondenser à la fin de la télophase, quelles seront les conséquences pour la viabilité des cellules filles pendant l'interphase ?

On analyse l'ADN bicaténaire de deux espèces de bactéries : l'espèce A provient d'une source hydrothermale sous-marine à $85\ ^\circ\text{C}$ et l'espèce B provient du sol à $20\ ^\circ\text{C}$. Les analyses montrent que l'un des échantillons contient $38\ \%$ de cytosine et l'autre contient $19\ \%$ de cytosine.

1. a) Déduire et justifier à quelle bactérie correspond chaque pourcentage, en s'appuyant sur la stabilité moléculaire des liaisons entre paires de bases.
2. b) Calculer le pourcentage de toutes les autres bases azotées (adénine, thymine et guanine) présentes dans l'ADN de la bactérie thermophile de l'échantillon.

La région codante ininterrompue d'un gène eucaryote comporte exactement $900$ paires de bases (codon stop final inclus).

1. a) Calculer combien d'acides aminés composeront la protéine traduite à partir de ce gène.
2. b) On suppose qu'une mutation par insertion d'un seul nucléotide se produit en position $301$. Prévoir les conséquences de cette mutation sur la longueur finale de la chaîne d'acides aminés et sur sa fonction biologique, par comparaison avec une mutation ponctuelle par substitution à cette même position $301$. Justifier la prévision à l'aide des notions de cadre de lecture et de codon stop prématuré.

Un chromosome humain en métaphase mesure environ $5\ \mu\text{m}$, mais le filament d'ADN qu'il contient mesurerait étiré environ $5\ \text{cm}$ (un compactage de $10\,000$ fois).

1. a) Si l'on applique à une cellule en métaphase un inhibiteur de l'enzyme ARN polymérase (responsable de la transcription), on constate qu'il n'a presque aucun effet, car la synthèse d'ARN est déjà naturellement arrêtée. Justifier ce fait en le reliant au degré de compaction de la chromatine.
2. b) Expliquer pourquoi il est indispensable à la cellule d'atteindre un tel niveau de compaction pendant la mitose, et pourquoi il lui serait fatal de maintenir en permanence ce même degré de condensation pendant l'interphase.

Certains médicaments de chimiothérapie anticancéreuse (agents pontants) peuvent relier de façon covalente les deux brins de l'ADN. On imagine un médicament hypothétique qui agirait en formant des liaisons covalentes permanentes entre les bases azotées en vis-à-vis de la double hélice, à la place des liaisons hydrogène habituelles.

1. a) Prévoir pourquoi ce médicament stoppe net la division des cellules tumorales, en expliquant quelles enzymes et quels processus de la réplication ou de la transcription sont physiquement empêchés.
2. b) À partir du cas précédent, justifier pourquoi la sélection naturelle a conservé au cours de l'évolution des liaisons faibles (liaisons hydrogène) entre les deux brins et des liaisons fortes (liaisons covalentes phosphodiester) le long de chaque chaîne, plutôt que d'utiliser uniquement des liaisons fortes ou uniquement des liaisons faibles.

Dans la célèbre expérience de Hershey et Chase (1952) avec des bactériophages :

1. a) Prévoir quels résultats auraient été obtenus dans le culot de bactéries et dans le liquide surnageant si l'hypothèse dominante de l'époque (selon laquelle les protéines constituaient le matériel héréditaire) avait été la bonne.
2. b) Un élève propose de refaire l'expérience en marquant les virus à l'azote 15 ($^{15}\text{N}$, isotope stable) au lieu d'utiliser le phosphore ($^{32}\text{P}$) et le soufre ($^{35}\text{S}$). Justifier pourquoi ce protocole expérimental serait totalement inutile pour déterminer si le matériel génétique est l'ADN ou la protéine.