Niveau : première, spécialité SVT. Durée estimée : 50 min. 10 exercices corrigés, du plus simple au plus exigeant.
Rappel des notions clés
L'ADN est une double hélice : deux brins de nucléotides reliés par leurs bases, toujours A en face de T et C en face de G. C'est la complémentarité. Exemple : en face de ATGC, l'autre brin porte TACG. Un nucléotide réunit un sucre (le désoxyribose), un groupement phosphate et une base azotée : adénine (A), thymine (T), cytosine (C) ou guanine (G). L'ordre des bases, la séquence, porte l'information génétique.
Chaque chromatide est une longue molécule d'ADN associée à des protéines. Pendant la phase S, la réplication copie l'ADN : chaque chromosome passe d'une chromatide à deux chromatides sœurs identiques, reliées par le centromère. La mitose, division de la cellule, les sépare : chaque cellule fille reçoit une chromatide de chaque chromosome. Pendant l'interphase, entre deux mitoses (phases G1, S et G2), l'ADN est décondensé ; il se condense en mitose, et les chromosomes deviennent alors visibles au microscope.
Une mutation modifie la séquence : une base remplacée (substitution), perdue (délétion) ou ajoutée (insertion). Recopiée à chaque réplication, elle passe à toutes les cellules issues de la cellule mutée, son clone. Elle n'est héréditaire que si elle touche une cellule à l'origine des gamètes, les cellules reproductrices.
Formules à retenir :
- ADN double brin : $\%A = \%T$ et $\%C = \%G$, donc $\%A + \%C = 50\,\%$.
- Longueur d'ADN : $L = n \times 0{,}34\ \text{nm}$, avec $n$ le nombre de paires de nucléotides et $1\ \text{nm} = 10^{-9}\ \text{m}$.
- Quantité d'ADN d'une cellule : $q$ en G1, $2q$ en G2, puis $q$ dans chaque cellule fille.
Piège classique : un chromosome à deux chromatides reste un seul chromosome. En G2, une cellule humaine a 46 chromosomes, mais 92 chromatides.
Exercices : niveau facile
Exercice 1 : a) Nomme les trois parties d'un nucléotide d'ADN.
b) Laquelle change d'un nucléotide à l'autre ?
c) Pourquoi est-ce elle qui porte l'information ?
Correction :
Reprends la composition du nucléotide.
a) Un désoxyribose (sucre), un groupement phosphate et une base azotée.
b) La base : A, T, C ou G. Le sucre et le phosphate sont partout les mêmes.
c) Seule la base varie : l'ordre des bases, la séquence, est donc l'information.
Exercice 2 : Vrai ou faux ? Justifie en une phrase.
a) L'ADN contient de l'uracile (U).
b) Dans la double hélice, l'adénine fait face à la guanine.
c) Les bases sont tournées vers l'intérieur de la double hélice.
Correction :
Confronte chaque phrase à la structure de l'ADN.
a) Faux : l'uracile est propre à l'ARN, l'autre acide nucléique ; l'ADN a de la thymine.
b) Faux : A fait face à T, et C à G.
c) Vrai : les bases forment les marches d'un escalier en colimaçon ; sucres et phosphates, les rampes.
Exercice 3 : Un brin d'ADN porte la séquence ATGCGTTA. Écris la séquence du brin qui lui fait face.
Correction :
Remplace chaque base par sa partenaire : A par T, T par A, C par G, G par C.
ATGCGTTA donne TACGCAAT.
Erreur à éviter : recopier la même séquence. Complémentaire ne veut pas dire identique.
Exercices : niveau moyen
Exercice 4 : Au microscope, tu observes une pointe de racine d'ail colorée pour révéler l'ADN. Dans la plupart des cellules, le noyau est une tache uniforme ; dans quelques-unes, on voit des chromosomes en bâtonnets.
a) À quelle étape du cycle sont les cellules au noyau uniforme ? Justifie.
b) Pourquoi voit-on des chromosomes dans quelques cellules seulement ?
Correction :
Relie l'aspect du noyau à l'état de condensation de l'ADN.
a) En interphase : l'ADN, décondensé, s'étale dans tout le noyau.
b) Ils ne sont visibles que condensés, en mitose, une étape bien plus courte que l'interphase : peu de cellules y sont au moment de l'observation.
Exercice 5 : On compare un même chromosome en G1 et en G2.
a) Combien de molécules d'ADN contient-il dans chaque cas ?
b) Nomme ses deux éléments en G2, et le point qui les relie.
c) Ces deux éléments ont-ils la même séquence ? Justifie.
Correction :
Une chromatide correspond à une molécule d'ADN.
a) En G1, une molécule ; en G2, deux molécules.
b) Deux chromatides sœurs, reliées par le centromère.
c) Oui : la réplication, semi-conservative, associe à chaque brin d'origine un brin neuf construit par complémentarité. Les deux copies sont donc identiques.
Exercice 6 : Une cellule humaine a 46 chromosomes. Donne son nombre de chromosomes, de chromatides et de molécules d'ADN :
a) en G1 ;
b) en G2 ;
c) en mitose, chromosomes alignés au centre de la cellule ;
d) dans une cellule fille, juste après la mitose.
Correction :
Compte un chromosome par centromère. Dans l'ordre : chromosomes, chromatides, molécules d'ADN.
a) G1 : 46, 46 et 46.
b) G2 : 46, 92 et 92.
c) Chromosomes alignés : 46, 92 et 92 (chromatides pas encore séparées).
d) Cellule fille : 46, 46 et 46.
Erreur à éviter : annoncer 92 chromosomes après la phase S. La réplication double les chromatides, pas les chromosomes.
Exercice 7 : On analyse les bases de deux ADN (données fictives).
a) L'ADN double brin d'une bactérie contient $30\,\%$ d'adénine. Calcule les pourcentages de T, C et G.
b) L'ADN d'un virus contient $25\,\%$ de A, $33\,\%$ de T, $18\,\%$ de C et $24\,\%$ de G. Est-il simple ou double brin ? Justifie.
Correction :
Dans un double brin, A fait face à T et C à G.
a) $\%T = \%A = 30\,\%$. Il reste $100 - 2 \times 30 = 40\,\%$, partagés à égalité entre C et G : $\%T = 30\,\%$, $\%C = 20\,\%$ et $\%G = 20\,\%$.
b) $\%A \neq \%T$ et $\%C \neq \%G$ : les bases ne peuvent pas être toutes appariées. L'ADN de ce virus est simple brin.
Erreur à éviter : écrire $\%G = \%A$. L'égalité ne relie que des partenaires.
Exercices : niveau difficile
Exercice 8 : Un lot de 23 chromosomes humains compte environ $3 \times 10^9$ paires de nucléotides (NHGRI, 2013). La plupart des cellules du corps en ont deux lots. Deux paires voisines sont espacées de $0{,}34\ \text{nm}$.
a) Calcule, en centimètres, la longueur moyenne de l'ADN d'un chromosome en G1.
b) Calcule, en mètres, la longueur totale de l'ADN d'une cellule en G1.
c) Compare-la au diamètre du noyau, pris égal à $10\ \mu\text{m}$, soit $10^{-5}\ \text{m}$ (valeur choisie pour l'exercice). Conclus.
Correction :
Applique $L = n \times 0{,}34\ \text{nm}$, puis convertis.
a) $\dfrac{3 \times 10^9}{23} \approx 1{,}3 \times 10^8$ paires par chromosome, donc $L \approx 1{,}3 \times 10^8 \times 0{,}34 \approx 4{,}4 \times 10^7\ \text{nm}$, soit environ $4{,}4\ \text{cm}$.
b) $2 \times 3 \times 10^9 = 6 \times 10^9$ paires, donc $L = 6 \times 10^9 \times 0{,}34 = 2{,}04 \times 10^9\ \text{nm}$, soit environ $2\ \text{m}$.
c) $\dfrac{2{,}04}{10^{-5}} \approx 2 \times 10^5$ : l'ADN est environ $200\,000$ fois plus long que le noyau. Il n'y tient que très replié, associé à ses protéines.
Erreur à éviter : compter un seul lot, ce qui donne $1\ \text{m}$ au lieu de $2\ \text{m}$.
Exercice 9 : Quantité d'ADN d'une cellule en culture (données fictives, unités arbitraires) : 2 à 0 h et à 5 h, 3 à 9 h, 4 à 13 h et à 17 h. Après sa division, à 19 h, chaque cellule fille en contient 2.
a) Quelle phase du cycle se déroule vers 9 h ? Que s'y passe-t-il ?
b) Entre quels moments chaque chromosome a-t-il deux chromatides ? Justifie.
c) Pourquoi chaque cellule fille n'a-t-elle que 2 unités ?
Correction :
Repère où la quantité double, puis où elle est divisée par deux.
a) La quantité monte de 2 vers 4 : c'est la phase S, où l'ADN est répliqué.
b) De la fin de la phase S (13 h au plus tard) jusqu'à la mitose (entre 17 h et 19 h) : la quantité vaut alors 4, le double de G1.
c) La mitose sépare les chromatides sœurs : chaque cellule fille reçoit la moitié de l'ADN, soit 2 unités.
Exercice 10 : Voici trois allèles d'un gène (versions qui diffèrent par leur séquence), sur un fragment d'un brin.
Allèle 1 : TACGGATCCA. Allèle 2 : TACGGTTCCA. Allèle 3 : TACGGTCCA.
a) Par rapport à l'allèle 1, identifie la mutation de l'allèle 2, puis celle de l'allèle 3 : nature et position.
b) La mutation de l'allèle 2 survient dans une cellule de la peau. Pourquoi la retrouvera-t-on dans tout son clone, mais pas chez les enfants de la personne ?
Correction :
Aligne les séquences base par base, en numérotant depuis la gauche.
a) Allèle 2 : en position 6, A est remplacé par T, c'est une substitution. Allèle 3 : le A de la position 6 a disparu (9 bases au lieu de 10), c'est une délétion.
b) Chaque réplication recopie la mutation et chaque mitose la transmet : tout le clone de cette cellule la porte. Une cellule de la peau ne donne pas de gamètes : la mutation n'est pas héréditaire.
Bilan et conseils
Ce qu'il faut retenir : la complémentarité, A avec T et C avec G, explique à la fois les égalités de pourcentages et la copie fidèle de l'ADN en phase S. Pour compter, pars des centromères : un chromosome reste un chromosome, qu'il ait une ou deux chromatides.
Ces notions suivent le programme de spécialité SVT de première (Bulletin officiel spécial n° 1 du 22 janvier 2019).
Sources
Programme de spécialité SVT de première générale, Bulletin officiel spécial n° 1 du 22 janvier 2019 (eduscol).
National Human Genome Research Institute (NHGRI), The Human Genome Project: Frequently Asked Questions, 2013.