Réplication de l'ADN et cycle cellulaire : quantités d'ADN et chromosomes

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Le cycle cellulaire : une alternance régulière

Dans un organisme pluricellulaire, de nombreuses cellules se divisent de façon répétée. Le cycle cellulaire désigne l'ensemble des événements qui séparent la formation d'une cellule de sa propre division. Il comprend une interphase, longue, et une mitose, courte. L'interphase se subdivise en trois phases : G1 (croissance de la cellule et activité métabolique), S (synthèse, c'est-à-dire réplication de l'ADN) et G2 (préparation à la division). Certaines cellules différenciées quittent le cycle et restent en phase G0 : elles ne se divisent plus, ou seulement après un signal particulier.

La réplication de l'ADN

Pendant la phase S, chaque molécule d'ADN est copiée. La réplication est semi-conservative : la molécule double-brin s'ouvre, puis chacun des deux brins sert de matrice à la synthèse d'un brin complémentaire, grâce à des enzymes dont les ADN polymérases. L'appariement des nucléotides obéit à la complémentarité des bases (A avec T, C avec G). Les deux molécules obtenues sont identiques à la molécule d'origine, à de rares erreurs près (ces erreurs, quand elles persistent, sont des mutations), et chacune contient un brin ancien et un brin néoformé.

Quantité d'ADN et chromosomes : deux grandeurs distinctes

Le nombre de chromosomes compte des structures visibles à la mitose. La quantité d'ADN mesure la matière génétique contenue dans un noyau. Une cellule somatique humaine diploïde possède 46 chromosomes. En G1, chaque chromosome est formé d'une seule molécule d'ADN, donc d'une seule chromatide : la quantité d'ADN vaut Q. Après la phase S, chaque chromosome est constitué de deux chromatides identiques, reliées au niveau du centromère. Le nombre de chromosomes reste 46, mais la quantité d'ADN vaut 2Q.

La mitose

La mitose se déroule en quatre étapes. En prophase, les chromosomes se condensent, l'enveloppe nucléaire se désorganise et le fuseau de microtubules se met en place. En métaphase, les chromosomes sont alignés dans le plan équatorial de la cellule. En anaphase, les deux chromatides de chaque chromosome se séparent et migrent vers des pôles opposés : chaque chromatide devient un chromosome à une seule chromatide. En télophase, les chromosomes se décondensent, deux enveloppes nucléaires se reforment et le cytoplasme se divise. On obtient deux cellules-filles génétiquement identiques entre elles et à la cellule mère, avec 46 chromosomes à une chromatide et une quantité d'ADN Q. La mitose conserve ainsi le caryotype d'une génération cellulaire à la suivante et permet la croissance, le renouvellement et la réparation des tissus.

Exemple analysé

Suivons une cellule humaine dont la quantité d'ADN en G1 est de 6 pg (donnée simplifiée).

La courbe de la quantité d'ADN en fonction du temps présente donc un plateau, une montée progressive pendant la phase S, un second plateau, puis une chute brutale de moitié lors de la division. La montée correspond à la réplication, la chute à la répartition des chromatides entre deux cellules.

Un piège à éviter

Beaucoup d'élèves pensent que « l'ADN double, donc le nombre de chromosomes double ». C'est faux : après la réplication, il y a toujours 46 chromosomes, mais chacun possède deux chromatides. Le nombre de chromosomes comptés n'atteint 92 que brièvement, entre l'anaphase et la fin de la télophase, avant le partage entre deux cellules. Autre confusion fréquente : situer le doublement de l'ADN pendant la mitose. Il a lieu bien avant, en phase S de l'interphase.

Les séries de résultats de ces exercices sont construites pour l'activité et ne proviennent pas d'une étude réelle.

Situation-problème

Un laboratoire étudie une lignée de cellules humaines en culture, dont le cycle dure 20 heures. Une élève affirme : « L'ADN double pendant la mitose, puisque c'est là que la cellule se divise, et le nombre de chromosomes double dès que l'ADN double. » L'enseignant propose de tester cette affirmation à partir d'un suivi de quantité d'ADN et d'un comptage de cellules au microscope. Vous devez déterminer à quel moment l'ADN est répliqué, comment évoluent chromosomes et chromatides, puis estimer la durée des étapes de la mitose. Les documents ci-dessous fournissent toutes les données utiles.

Document 1 : suivi de la quantité d'ADN d'une cellule

Données pédagogiques simplifiées. Une cellule-fille est suivie dès sa formation (t = 0 h) jusqu'à sa propre division, achevée à 20 h. La réplication de l'ADN commence à 8 h, se termine à 16 h et se déroule à vitesse constante.

Document 2 : compte rendu d'observation au microscope

Données pédagogiques simplifiées. Un échantillon de 1000 cellules d'une culture en croissance, non synchronisée, a été fixé puis coloré à un instant donné. On suppose qu'aucune cellule ne meurt ni ne quitte le cycle, et que la proportion de cellules observées dans une étape est proportionnelle à la durée de cette étape. Le cycle complet dure 20 h.

Remarque de l'observateur : en métaphase, 46 chromosomes sont visibles, chacun formé de deux chromatides ; en fin d'anaphase, 46 chromosomes à une chromatide sont regroupés à chaque pôle de la cellule.

Exercice 1 : le suivi d'une cellule

1. Décrivez l'évolution de la quantité d'ADN entre 0 h et 21 h en distinguant trois périodes.
2. Nommez la phase du cycle qui correspond à la période 8 h à 16 h et justifiez avec le document 1.
3. Calculez la vitesse de réplication, en pg par heure, puis vérifiez la valeur donnée à 14 h.
4. Expliquez pourquoi la cellule à 21 h contient 6,0 pg d'ADN.

Exercice 2 : durées et molécules d'ADN

1. Calculez le pourcentage de cellules en interphase et en mitose dans l'échantillon.
2. Calculez la durée de chaque étape de la mitose, en minutes, puis la durée totale de la mitose. Précisez l'hypothèse utilisée.
3. Indiquez le nombre de chromosomes, de chromatides et la quantité d'ADN d'une cellule en métaphase, puis en fin d'anaphase.
4. Une molécule d'ADN dont les deux brins sont « anciens » subit deux réplications successives. Combien de molécules obtient-on, et combien contiennent un brin ancien ?

Exercice 3 : confronter les documents

1. Testez l'affirmation « l'ADN double pendant la mitose » en utilisant les deux documents.
2. Testez l'affirmation « le nombre de chromosomes double dès que l'ADN double ».
3. Un élève conclut : « Ces mesures prouvent que toutes les cellules humaines ont un cycle de 20 h. » Discutez cette conclusion.
4. Rédigez en quatre phrases une conclusion argumentée répondant à la situation-problème.

Correction complète

Exercice 1 : correction

1. De 0 h à 8 h environ, la quantité d'ADN est constante à 6,0 pg. Entre 8 h et 16 h, elle augmente régulièrement de 6,0 à 12,0 pg. De 16 h jusqu'à la division (20 h), elle reste à 12,0 pg. Après la division, à 21 h, elle est revenue à 6,0 pg, soit la moitié.
2. La période 8 h à 16 h correspond à la phase S : la quantité d'ADN double, ce qui traduit la réplication des molécules d'ADN. Elle dure 8 h, soit les deux cinquièmes du cycle.
3. Vitesse = (12,0 − 6,0) / (16 − 8) = 6,0 / 8 = 0,75 pg par heure. À 14 h, 6 h se sont écoulées depuis le début de la phase S : 6,0 + 0,75 × 6 = 10,5 pg, valeur conforme au tableau.
4. À la division, les deux chromatides de chaque chromosome sont réparties entre les deux cellules-filles. Chacune reçoit 46 chromosomes à une chromatide, donc la moitié de 12,0 pg, soit 6,0 pg.

Critères de réussite : trois périodes datées, phase S justifiée par le doublement, calcul avec unité, lien entre répartition des chromatides et valeur finale.

Exercice 2 : correction

1. Mitose : 25 + 10 + 5 + 20 = 60 cellules sur 1000, soit 6 %. Interphase : 940 sur 1000, soit 94 %.
2. Le cycle de 20 h correspond à 1200 min pour 1000 cellules, soit 1,2 min par cellule comptée. Prophase : 25 × 1,2 = 30 min. Métaphase : 10 × 1,2 = 12 min. Anaphase : 5 × 1,2 = 6 min. Télophase : 20 × 1,2 = 24 min. Total : 72 min, soit 1,2 h, ce qui vaut bien 6 % de 20 h. L'hypothèse est que la proportion de cellules dans une étape est proportionnelle à sa durée, sans mort cellulaire ni sortie du cycle.
3. En métaphase : 46 chromosomes, 92 chromatides, 12 pg d'ADN. En fin d'anaphase : 92 chromosomes à une chromatide au total dans la cellule (46 par pôle), et toujours 12 pg pour la cellule entière, soit 6 pg par futur noyau.
4. Après la première réplication, on obtient 2 molécules, chacune avec un brin ancien et un brin nouveau. Après la deuxième, on obtient 4 molécules. Les deux brins anciens sont dans deux molécules différentes : 2 molécules contiennent un brin ancien, 2 sont entièrement néoformées. Aucune molécule ne garde deux brins anciens, ce qui illustre le caractère semi-conservatif.

Critères de réussite : pourcentages exacts, conversion 20 h = 1200 min, hypothèse formulée, distinction chromosomes et chromatides, dénombrement des molécules.

Exercice 3 : correction

1. L'affirmation est réfutée. Le document 1 montre que la quantité d'ADN augmente de 8 h à 16 h et vaut déjà 12,0 pg à 18 h. Le document 2 indique que la mitose ne dure que 72 min environ, soit de 18,8 h à 20 h dans ce cycle. Pendant la mitose, la quantité d'ADN par cellule ne s'accroît pas : elle vaut 12 pg jusqu'à l'anaphase, puis est partagée entre deux cellules.
2. L'affirmation est fausse. Après la phase S, la quantité d'ADN a doublé, mais le document 1 précise qu'il y a toujours 46 chromosomes, devenus à deux chromatides. Ce sont les chromatides qui passent de 46 à 92. Le nombre de chromosomes ne passe à 92 qu'en fin d'anaphase, brièvement, avant la répartition en deux cellules de 46.
3. La conclusion est trop générale. Les mesures portent sur une lignée en culture, dans des conditions données, et le suivi concerne une seule cellule. D'autres types cellulaires ont des cycles plus courts ou plus longs, et certaines cellules sont en G0. De plus, les données sont simplifiées. On peut seulement conclure pour cette lignée dans ces conditions.
4. Conclusion possible : l'ADN est répliqué pendant la phase S, entre 8 h et 16 h, et non pendant la mitose. La réplication double la quantité d'ADN et le nombre de chromatides, mais pas le nombre de chromosomes, qui reste de 46. La mitose, brève (environ 72 min), répartit les chromatides et ramène la quantité d'ADN à 6 pg dans chaque cellule-fille. Ces résultats valent pour cette lignée et ne sont pas généralisables à toutes les cellules.

Critères de réussite : arguments appuyés sur des valeurs des deux documents, distinction nette entre chromosome et chromatide, limites de la conclusion explicitées.