PARTIE II CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT

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Cours de Mme BRUCHHAUSER
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20/04/2010
PARTIE II
CELLULE, ADN ET UNITE DU VIVANT
Cours de Mme BRUCHHAUSER à l’usage exclusif des élèves de sa classe de seconde 1 dans le cadre de la
session de rattrapage.
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LA CELLULE UNITE STRUCTURALE ET
FONCTIONNELLE DU VIVANT
Chapitre 1
Question 1 : pourquoi dit-on que la cellule est l’unité structurale de tous les êtres vivants ?
Vous avez vu avec Monsieur Camuset qu’il existait deux types de cellules (Procaryotes et Eucaryotes) ainsi que
leurs caractéristiques structurales. Ainsi vous avez pu découvrir que l’on parle de la cellule en tant qu’unité
structurale du vivant car tous les êtres vivants sont composés de cellule(s).
Dans la suite du chapitre nous nous intéresserons à l’aspect fonctionnel de la cellule.
Le métabolisme est l’ensemble des réactions chimiques de dégradation ou de fabrication qui se déroulent dans un
organisme.
Quelque soit leur spécialisation, les cellules ont besoin d’énergie pour fonctionner et produire de la matière organique. Le
métabolisme peut être étudié en caractérisant les besoins nutritifs des cellules.
Question 2 : Les cellules animales et végétales qui ont presque les mêmes structures ont-elles les mêmes
métabolismes pour fabriquer leur énergie et donc les mêmes besoins nutritifs ?
TP 3
Les besoins nutritifs des cellules chlorophylliennes : le radis
Activité 1 : analyser les résultats d’une expérience afin de mettre en évidence les besoins nutritifs des cellules
chlorophylliennes.
Protocole : Dans trois récipients, on dispose 20 graines de radis, sur un disque de coton. Ce support permet aux plantules de
s’enraciner et sert à retenir l’eau d’arrosage qui leur est fournie. En revanche, il n’apporte aucun élément nutritif utilisable
pour la croissance des plantules.
Les cultures sont soumises à des conditions différentes de températures, d’éclairement et de nutrition (voir tableau cidessous).
Milieu d’arrosage
Eclairement
Température
composition
Volume total
Culture 1
Eau déminéralisée
15 mL
Lumière
Ambiante
Culture 2
Liquide de Knop
15 mL
Lumière
Ambiante
Culture 3
Liquide de Knop
15 mL
Obscurité
Ambiante
Liquide de Knop : engrais mis au point pour obtenir une croissance optimale des plantes en laboratoire. Il est composé de
divers sels minéraux dissous dans l’eau : nitrate de calcium, nitrate de potassium; sulfate de magnésium, phosphate
monopotassique, chlorure ferrique.
Taille des plantules après 12 jours de culture :
TAILLES
Cult.
1
Cult.
2
Cult.
3
EN
mm
47
36
54
44
26
36
43
51
36
37
40
36
28
23
46
23
31
37
28
48
140
122
160
137
185
172
144
173
134
122
134
164
109
156
155
184
152
161
160
114
88
103
100
122
109
104
112
54
93
104
70
52
90
96
106
73
15
5
60
69
94
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1- Quelles sont les hypothèses relatives aux besoins nutritifs des plantules de radis que l’on veut tester grâce à ce
protocole ?
Réponse :
Les hypothèses que vous auriez pu émettre :
pour croître, les plants de radis ont besoin de sels minéraux
pour croître, les plants de radis ont besoin de lumière
2- Expliquez pourquoi on place les graines sur un disque de coton et non sur un sol naturel ? Pourquoi pour
chaque culture utilise- t-on 20 graines et non une seule ?
Réponse :
Le sol contient des substances nutritives (substances minérales, voir cours de 6ème) donc si l’on veut voir l’effet des sels minéraux
apportés par le liquide de Knop, il ne faut pas qu’une source en apporte ; pour cela on utilise un support neutre : le coton.
On sème plusieurs graines pour :
effectivement avoir des résultats permettant une analyse statistique comme, par exemple, le calcul de la moyenne
si une graine est semée, comment en cas de non germination de celle-ci faire la distinction entre une défaillance de la
graine et l’effet des conditions auxquelles elle est soumise.
3- Tracez pour chaque culture, sur la même feuille de papier millimétré, les courbes représentant en abscisse le
numéro de la graine et en ordonné sa taille. Calculez à partir du tableau la taille moyenne des plantules pour
chaque culture. Que constatez-vous ?
Réponse :
Voir votre graphique (le faire) : en abscisse portez le numéro de la graine et en ordonnée vous porterez la taille en mm
On constate que les conditions les conditions de cultures n° 2 sont les plus favorables au développement des plants de radis.
4- Déduisez-en les besoins nutritifs d’une cellule chlorophyllienne ?
Réponse :
Les cellules chlorophylliennes ont besoins de sels minéraux et de lumière pour se développer. (la lumière importe peu pour la
germination car normalement les graines germent dans le sol où il règne l’obscurité).
Activité 2 :
analyser un graphique et s’informer à partir d’un texte ; mettre en relation ces données avec celles de l’activité
1 afin de réaliser un schéma résumant tous les échanges que réalise la cellule chlorophyllienne avec son
environnement.
Source : SVT, livre bordas
2
2
1
1:
1
2
2:
1
Dioxygène
Mise à l’obscurité
Mise à l’obscurité
Eclairement
Dioxyde de
carbone
Résultats d’une expérience visant à montrer les échanges gazeux réalisés par les cellules
chlorophylliennes avec leur milieu de culture
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Remarque (1) : la sonde qui mesure la teneur en dioxyde de carbone est moins sensible que celle qui mesure le dioxygène ;
de ce fait, les variations en dioxyde de carbone dans le milieu réactionnel sont peu marquées ce qui explique
les faibles pentes observables en phase d’obscurité.
Analyse du graphique
Lorsque la cellule chlorophyllienne est placée à l’obscurité, on constate que :
la teneur en dioxygène dans le réacteur diminue ; elle passe de t=0 : 390µmol/L à t=1min30 :380µmol/L puis de 450µmol/l
à t=3min30 à 440µmol/L à t=4min30
la teneur en dioxyde de carbone dans le réacteur augmente ; elle passe de t=0 : 325µmol/L à t=1min30 :330µmol/L puis de
250µmol/l à t=4min30 à 255µmol/L à t=5min
Or lorsque la cellule chlorophyllienne est placée à la lumière, on constate que :
la teneur en dioxygène dans le réacteur augmente ; elle passe de t=1min30 : 380µmol/L à t=3min :445µmol/L
la teneur en dioxyde de carbone dans le réacteur diminue ; elle passe de t=1min30 : 325µmol/L à t=3min :260µmol/L
On peut donc en déduire que à la lumière la cellule chlorophyllienne consomme du dioxyde de carbone du et rejette du
dioxygène ; à l’obscurité, c’est l’inverse.
Métabolisme autotrophe et photosynthèse
Les végétaux sont autotrophes : les seuls nutriments dont ils ont besoin sont le dioxyde de carbone de l’air ainsi que l’eau et les sels
minéraux du sol. Ils utilisent la lumière comme source d’énergie pour synthétiser des glucides, des lipides et des protéines. Les
chloroplastes des végétaux, organites riches en chlorophylle, captent l’énergie lumineuse. Ensuite, ils la convertissent en énergie chimique
et ils l’emmagasinent dans des glucides et d’autres molécules organiques, qu’ils forment à partir du dioxyde de carbone et d’eau. Ce
processus s’appelle la photosynthèse.
Sels minéraux
Milieu extracellulaire
Lumière
Milieu intracellulaire
O2
CO2
PHOTOSYNTHESE
Synthèse de
nouvelles
molécules
organiques
RESPIRATION
Dégradation de
molécules
organiques
CO2
Synthèse de matière
organique (lipides, glucides,
protides)
Synthèse de molécules
organiques
O2
LUMIERE
OBSCURITE
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TP 4 Les besoins nutritifs des cellules non chlorophylliennes : exemple la levure.
Activité 1 : concevoir un protocole afin de mettre en évidence les besoins nutritifs de la levure.
Liste de matériel : erlen Meyer, aérateur, levure, eau, glucose, pipettes, lame de comptage, bandelettes réactives
au glucose (pour montrer que la multiplication des levures dans le milieu est liée au glucose
prélevé dans le milieu)
Protocole : expérience témoin
expérience essai
A FAIRE DURANT LA SEANCE DE RATTRAPAGE DE TP
Activité 2 : suivre un protocole afin de mettre en évidence les besoins nutritifs des cellules non
chlorophylliennes.
Etape 1 : prélever à l’aide de la pipette un peu de solution de levures dans l’erlen témoin et en déposer un peu
dans une cellule de comptage ; compter le nombre de cellules dans 4 carrés
Etape 2 : réalisez la même chose avec les levures cultivées dans l’erlen contenant du glucose. Complétez le
tableau ci-dessous
Conditions de culture des levures Nombre de levures comptées
a-
Erlen témoin
50
Erlen avec glucose
200
que constatez-vous ?
⇒ il y a plus de levures dénombrées dans la solution de l’erlen
b- quelle hypothèse pourriez-vous émettre à la vue de vos résultats pour expliquer cela ?
⇒ pour proliférer les levures ont besoins de matière organique
c-
comment pourriez-vous vérifier votre hypothèse ? (voir liste de matériel non utilisé)
⇒ en trempant une bandelette réactive au glucose dans la solution glucose + levures à t=0 min
puis une autre bandelette dans cette même solution 24 h après.
d- réalisez le test. Que constatez-vous ? Concluez sur les besoins nutritifs des cellules non
chlorophylliennes.
⇒ Hypothèse confirmée, il n’y a plus de glucose dans le milieu.
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Activité 3 : réaliser une Expérimentation Assistée par Ordinateur afin de vérifier si, comme les cellules
chlorophylliennes, les besoins en dioxygène des levures sont dépendants de l’éclairement.
Principe de l’ExAO et protocole du TP : voir fiches distribuées par le professeur
Matériel : un ordinateur, des interfaces, l’ensemble étant connecté aux sondes plongées dans la cuve ci-dessous.
LUMIERE
OBSCURITE
LUMIERE
Résultats d’une expérience visant à montrer les échanges gazeux réalisés par les levures avec leur
milieu de culture.
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a-
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pourquoi est-il nécessaire d’agiter en permanence le milieu de culture ?
pour homogénéiser le milieu réactionnel afin que les mesures soient fiable et éviter que les
levures stagnes au fond de la cuve.
b- comment varient les teneurs en dioxygène et en dioxyde de carbone à la lumière ? en à l’obscurité ?
c-
la lumière ou l’obscurité n’ont aucune influence sur le comportement des levures : elles
consomment le dioxygène du milieu et rejettent le dioxyde de carbone quelque soient les
conditions.
mettez en relation ces données avec celles de l’activité 2 afin de réaliser un schéma résumant tous les
échanges que réalise la cellule non chlorophyllienne avec son environnement.
Milieu extracellulaire
Molécules
organiques
O2
Milieu intracellulaire
RESPIRATION
Synthèse
de
molécules
organiques
Dégradation
de molécules
organiques
Production
d’énergie
Eau + sels minéraux
CO2
Bilan : même si les cellules animales, non chlorophylliennes, et les cellules chlorophylliennes ont de grandes
similitudes structurales, ces deux types de cellules n’ont pas les mêmes métabolismes car leurs besoins
nutritifs sont différents :
⇒ les cellules chlorophylliennes fabriquent leur matière organique, source
d’énergie, à partir de substances minérales (sels minéraux, CO2) et ont
besoin de lumière. Elles ont un métabolisme AUTOTROPHE.
⇒
Les cellules non chlorophylliennes quant à elles fabriquent leur matière
organique à partir de matière organique prélevée directement dans leur
environnement. Elles ont un métabolisme HETEROTROPHE qui est
indépendant de la lumière.
Conclusion : tout être vivant est constitué de cellule(s) qui pour fonctionner a (ont)
besoin d’énergie : le cellule est donc l’unité structurale et fonctionnelle du
monde vivant.
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Exercice d’application à faire en devoir maison
Le métabolisme d’une algue verte : l’euglène
L’euglène est une algue verte unicellulaire. Quatre suspensions d’euglènes sont cultivées dans des conditions
différentes de nutrition et d’éclairement pendant 24 heures. L’aspect et la croissance des euglènes sont observés.
Le tableau ci-dessous résume ces conditions et les résultats observés.
Milieu
Composition du milieu de
culture
Condition
d’éclairement
A
lumière
Aspect des euglènes
au microscope en
fin de culture
Euglènes vertes
B
obscurité
Euglènes incolores
C
Eau + sels minéraux + glucose
lumière
Euglènes incolores
D
Eau + sels minéraux + glucose
obscurité
Euglènes incolores
Evolution de la
culture
Accroissement de la
population
d’euglènes
Diminution de la
population et mort
des euglènes
Accroissement de la
population
d’euglènes
Accroissement de la
population
d’euglènes
a-
par une exploitation rigoureuse des documents fournis, précisez les besoins des euglènes selon les
conditions du milieu.
b- De quel(s) type(s) de métabolisme l’euglène est-elle le siège ?
c- Expliquez en quoi l’euglène est un organisme original dans son mode de fonctionnement.
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Nous venons de voir que grâce à son métabolisme la cellule est capable de produire sa matière organique et
son énergie ; le métabolisme et la division, activité qui assure la pérennité de l’espèce (cas des organismes
unicellulaires) ou du tissu sont deux activités fondamentales.
Question 3 : quel organite cellulaire contrôle le métabolisme et la division cellulaire ?
Activité : analyser des résultats de 3 expériences afin de découvrir comment sont contrôlés la division cellulaire
et le métabolisme.
Expérience 1 : voir documents acétabulaire et trisomie.
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a-
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exploitez les résultats expérimentaux pour indiquer la localisation cellulaire et les rôles de l’information
génétique chez l’acétabulaire
Pour t’aider : analyse une expérience après l’autre en appliquant à chaque fois la méthode vu en classe : je
constate que…. OR je peux en déduire que…… et mets ces informations en relation pour répondre à la
question.
-
Je constate que si l’on sectionne le chapeau, celui-ci, lorsqu’il est mis en culture, fini par dépérir
De même pour la mise en culture du pédicelle
Or lors de la mise en culture du pied contenant le noyau, une nouvelle acétabulaire se développe.
Je peux donc en déduire que c’est le noyau qui est responsable de la régénérescence de l’algue.
b- en bilan indiquez la localisation et l’élément constituant le support de l’information génétique
D’après l’expérience avec l’acétabulaire, le noyau est indispensable à la vie de l’individu ; les chromosomes
étant le support de l’information génétique (doc suivant et programme de 3ème), l’information génétique est
localisée dans le noyau .
Expérience 2 : étude du métabolisme chez deux levures
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a-
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caractérise chaque souche A et B par rapport à sa capacité à utiliser ou non les substrats organiques
fournis
-
-
la souche A est capable d’utiliser le glucose car à l’injection du glucose, la teneur en O2 diminue
fortement ; en revanche, elle utilise moins le saccharose comme source d’énergie car la teneur en
O2 diminue plus faiblement.
la souche B utilise indifféremment le glucose et la saccharose car la teneur en O2 diminue de la
même façon.
b- propose une explication aux différences d’activité cellulaire constatées.
On peut en déduire que ces deux souches de levures n’ont pas le même métabolisme.
c-
en bilan, le métabolisme des organismes est sous le contrôle du noyau.
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Expérience 3 : expérience de clonage de Dolly
Retard
Troubles
a-
caractérise l’information génétique que renferme la cellule mammaire à l’origine de Dolly
C’est la même que celle contenue dans le noyau de l’ovule puisque l’on obtient un individu qui est le
clone de la brebis donneuse du noyau.
b- déduisez-en le devenir de l’information génétique au cours des divisions successives qui conduisent
d’une cellule-œuf aux différentes cellules d’un organisme adulte.
Elle est conservée au cours des divisions successives.
c-
en conclusion répondez à la question 3.
C’est le noyau qui est l’organite clé de la cellule car il contrôle l’activité métabolique et la division de
celle-ci.
L’information génétique présente dans le noyau est transmise intégralement d’une cellule à l’autre lors
de la division. Cette information est contenue dans les chromosomes.
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Chapitre 2
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UNIVERSALITE ET VARIABILITE DE LA
MOLECULE D’ADN
Le matériel chromosomique est universellement présent dans les cellules animales, végétales et bactériennes.
Question 1 : quel est le constituant des chromosomes ?
TP 1
Mise en évidence et extraction du constituant des chromosomes
Voir TP de 3ème
Activité 1 : réaliser une préparation microscopique et la colorer afin de localiser et de caractériser le constituant
des chromosomes.
a- suivez le protocole
b- réalisez un dessin de ce que vous observez
c- que constatez-vous ? que pouvez-vous en déduire ?
Activité 2 : réaliser une extraction du matériel génétique afin de le caractériser.
a- suivez le protocole
b- que constatez-vous ? que pouvez-vous en déduire ?
Bilan : L’ADN (Acide DésoxyriboNucléique) est situé dans le noyau de la cellule ; il est le
constituant des chromosomes et donc le support de l’information génétique.
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Des souris vertes sont nées ! Eclairées, elles sont fluorescentes. On a introduit dans des ovules fécondés de
souris normales l’information génétique qui, chez une espèce de méduse, détermine naturellement cette
fluorescence.
Question 2 : pourquoi est-il possible d’introduire un gène de méduse dans un ovule fécondé
de souris ?
Hypothèses :
Activité : s’informer et analyser des expériences de transgénèse (transfert de gène) afin de comprendre pourquoi
l’ADN de méduse peut être intégré à celui d’une souris
Source : SVT , Belin
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a-
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après avoir compris les expériences ci-dessus, remplissez le tableau suivant :
Organisme
transgénique
Mais
Organisme
donneur
B thuringiensis
Organisme
receveur
Mais
Gène transféré
Gène conférant la résistance
à la pyrale
Caractère héréditaire induit
par le gène du receveur
Production
d’insecticide
par le mais
Bactérie
Homme
Bactérie
Gène responsable de la
production
d’hormone
humaine de croissance
Production par la bactérie
d’hormone humaine de
croissance
b-
à quel type d’organisme appartiennent le donneur et le receveur de chaque expérience ?
Expérience 1 : donneur : bactérie
receveur : végétal
Expérience 2 : donneur Homme
receveur : bactérie
c- à l’aide de l’un des exemples proposés, montrez que l’ADN est le support d’une information génétique.
L’ADN est le support de l’information génétique car l’organisme receveur exprime le caractère induit par le
gène du donneur.
d- expliquez en quoi la transgénèse démontre l’universalité de la molécule d’ADN
La transgénèse démontre l’universalité de la molécule d’ADN car un gène provenant d’une bactérie (procaryote)
s’intègre dans le génome d’un organisme végétal (eucaryote) ; de même, un gène Humain (eucaryote) s’intègre
dans le génome d’une bactérie (procaryote).
e- répondez à la question posée.
Il est possible d’introduire un gène de méduse dans le génome de souris car l’ADN est universel.
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Question 3 : comment la structure de l’ADN explique – t-elle la diversité des gènes ?
1- la structure de la molécule d’ADN
Activité 1: exploiter le logiciel RASTOP afin de visualiser, de décrire et de schématiser la structure spatiale de la
molécule d’ADN.
2- localisation des gènes et diversité des gènes
Activité 2 : s’informer à partir de documents afin de localiser les gènes et de comprendre ce qu’est un gène.
Dans tous les organismes, des gènes dirigent la fabrication des protéines. On dit qu’ils codent des protéines. Des
milliers de protéines différentes sont ainsi synthétisées : l’hémoglobine (présente dans les globules rouges et
assure le transporte du dioxygène) et le collagène (protéine qui assure le soutien et la fixation de nombreux tissus
animaux (peau…). Chacune assure une fonction particulière dans l’organisme.
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donnez la localisation des gènes
b- comparez les séquences des deux gènes en entourant les différences. A partir de cette comparaison,
déterminez comment la structure de l’ADN permet le codage de deux protéines différentes.
c-
expliquez comment le faible nombre de lettre de l’alphabet est compensé pour former des mots
importants.
d- montrez comment la structure de la molécule d’ADN explique la diversité des gènes.
Question 3 : comment la structure de l’ADN explique – t-elle la diversité des gènes ?
1- la structure de la molécule d’ADN
Activité 1: exploiter le logiciel RAMOL afin de découvrir la structure de la molécule d’ADN et d’en réaliser un
schéma.
Cheminement à suivre : démarrer- RASMOL-Rasmol-raswin-file open- ADN.PDB- ok.
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1- Allez des « colours » puis dans « chain ». De combien de chaînes l’ADN est-il constitué ?
2- Faites tourner à l’aide du curseur la molécule d’ADN et décrivez sa structure.
3- Allez dans « display » et sélectionnez « sticks ». Indiquez le nombre nucléotides qui
constituent l’ADN.
4- Allez dans « display » et sélectionnez « shapely ». Que pouvez-vous dire de l’organisation des
constituants de la molécule d’ADN ? schématisez alors la molécule en utilisant des couleurs.
2- localisation des gènes et diversité des gènes
Activité 2 : s’informer à partir de documents afin de localiser les gènes et de comprendre ce qu’est un gène.
Dans tous les organismes, des gènes dirigent la fabrication des protéines. On dit qu’ils codent des protéines. Des
milliers de protéines différentes sont ainsi synthétisées : l’hémoglobine (présente dans les globules rouges et
assure le transporte du dioxygène) et le collagène (protéine qui assure le soutien et la fixation de nombreux tissus
animaux (peau…). Chacune assure une fonction particulière dans l’organisme.
La drépanocytose ou anémie falciforme, est une maladie héréditaire qui affecte chaque année en France 250
nouveaux nés. Elle se caractérise entre autre par une anémie chronique due à un mauvais approvisionnement des
tissus en dioxygène. Elle résulte d’une mauvaise circulation sanguine provoquée par la déformation des globules
rouges qui perdent leur souplesse et bouchent les capillaires sanguins ? L’espérance de vie des sujets atteints est
réduite.
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Question 4 : quelle est l’origine de cette pathologie ?
Activité : s’informer et raisonner à partir de documents.
a-
quelle relation pouvez-vous établir entre la séquence des acides aminés d’une protéine et la propriété de
cette grosse molécule qu’est l’hémoglobine ?
b- comparez les séquences des allèles (versions de gènes) codant pour les hémoglobines HbA et HbS.
Pourquoi peut-on dire de façon imagée qu’une mutation est une « faute de frappe »
Mutation : modification de la séquence des nucléotides formant un gène ; le sens du message génétique peut
alors être modifié.
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Question 5 : nous connaissons une des conséquences possibles d’une mutation, mais quelle peut être l’origine des
mutations ?
Hypothèses :
Activité :

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