SVT — Première

Biologie — Programme complet Première

Cours complet de SVT Première : ADN et mutations, génétique mendélienne, méiose et brassage génétique, photosynthèse, évolution et phylogénie, système…

Par ProfBot

Biologie — Programme complet Première

Introduction

Ce cours couvre l'intégralité du programme de SVT en classe de Première générale. Il traite quatre grands domaines : la génétique et la transmission de l'information héréditaire, la reproduction et le brassage génétique, l'évolution du vivant, et le fonctionnement de l'organisme en lien avec son environnement.

Partie 1 — La molécule d'ADN, support de l'information génétique

1.1 Structure de l'ADN

L'ADN (acide désoxyribonucléique) est la molécule qui porte l'information génétique dans toutes les cellules vivantes.

Composition :

• Une molécule d'ADN est formée de deux brins enroulés en double hélice
• Chaque brin est une chaîne de nucléotides
• Un nucléotide = groupement phosphate + désoxyribose + base azotée

Les 4 bases azotées :

💡 Règle de complémentarité : A s'apparie toujours avec T (2 liaisons H), G s'apparie toujours avec C (3 liaisons H). Cette règle est fondamentale pour la réplication et la transcription.

Organisation de l'ADN dans la cellule :

• Dans le noyau, l'ADN s'enroule autour de protéines appelées histones → formation de la chromatine
• Lors de la division cellulaire, la chromatine se condense en chromosomes visibles au microscope
• Chez l'Homme : 46 chromosomes (23 paires) dans chaque cellule diploïde (2n = 46)

1.2 Les gènes

Un gène est une portion d'ADN portant l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine.

• Chaque gène occupe une position précise sur un chromosome : son locus (pluriel : loci)
• Les deux chromosomes d'une même paire portent les mêmes gènes aux mêmes loci
• Un gène peut exister sous différentes formes appelées allèles

Homozygote / Hétérozygote :

• Homozygote : les deux allèles d'un même gène sont identiques (AA ou aa)
• Hétérozygote : les deux allèles sont différents (Aa)

Génotype vs Phénotype :

• Génotype : composition allélique d'un individu (ex. : Aa)
• Phénotype : caractère observable résultant de l'expression du génotype dans un environnement donné

1.3 Mutations de l'ADN

Une mutation est une modification permanente de la séquence nucléotidique de l'ADN.

Causes des mutations :

• Spontanées : erreurs lors de la réplication de l'ADN
• Induites : agents mutagènes physiques (UV, rayonnements ionisants) ou chimiques (agents alkylants, amiante)

Types de mutations ponctuelles :

💡 Insertion et délétion provoquent un décalage du cadre de lecture (frameshift) qui modifie tous les acides aminés suivants → protéine généralement non fonctionnelle.

Conséquences des mutations :

• Mutation silencieuse : le codon muté code pour le même acide aminé (grâce à la redondance du code génétique) → pas de changement phénotypique
• Mutation faux-sens : changement d'un acide aminé → protéine modifiée, parfois non fonctionnelle
• Mutation non-sens : apparition d'un codon-stop prématuré → protéine tronquée, non fonctionnelle
• Mutation germinale : dans les cellules reproductrices → transmise à la descendance
• Mutation somatique : dans les cellules somatiques → non transmise, peut provoquer un cancer

Partie 2 — La transmission héréditaire des caractères (Génétique mendélienne)

2.1 Les lois de Mendel

Gregor Mendel (1866) a établi les lois de la transmission héréditaire en croisant des plants de pois.

Première loi — Loi de ségrégation (pureté des gamètes) :

• Chaque individu possède deux allèles pour chaque gène
• Lors de la formation des gamètes, les deux allèles se séparent : chaque gamète ne reçoit qu'un seul allèle

Deuxième loi — Loi d'assortiment indépendant :

• Les allèles de gènes situés sur des chromosomes différents se répartissent indépendamment lors de la méiose (loi de l'assortiment indépendant)
• ⚠️ Cette loi n'est valable que pour des gènes portés par des chromosomes différents (non liés)

2.2 Dominance et récessivité

• Allèle dominant (noté en majuscule, ex. A) : s'exprime même en une seule copie (à l'état hétérozygote)
• Allèle récessif (noté en minuscule, ex. a) : ne s'exprime qu'en double copie (à l'état homozygote)
• Codominance : les deux allèles s'expriment simultanément (ex. groupe sanguin AB)

Exemple — Croisement monohybride :

Croisement entre un individu de phénotype [A] homozygote (AA) et un individu de phénotype [a] homozygote (aa) :

Parents :  AA   ×   aa
           ↓         ↓
Gamètes :  A         a
           ↓
F1 :      Aa  (100% phénotype [A])

Croisement F1 × F1 :

       A      a
A    AA (A)  Aa (A)
a    Aa (A)  aa (a)

Résultat F2 : 3/4 phénotype [A] ; 1/4 phénotype [a]
→ Ratio phénotypique 3:1

2.3 La méiose — Source de brassage génétique

La méiose est une division cellulaire réductrice qui produit des gamètes haploïdes (n chromosomes) à partir de cellules diploïdes (2n chromosomes).

Étapes de la méiose :

Méiose I (division réductrice) :

1. Prophase I :

• Condensation des chromosomes
• Appariement des chromosomes homologues (formation des bivalents)
• Crossing-over (enjambement) : échanges de segments entre chromatides non-sœurs

1. Métaphase I : alignement des bivalents sur la plaque équatoriale
2. Anaphase I : séparation des chromosomes homologues (réduction de ploïdie)
3. Télophase I : deux cellules haploïdes (mais à chromatides non-sœurs encore liées)

Méiose II (division équationnelle, similaire à une mitose) :

1. Prophase II → Métaphase II → Anaphase II (séparation des chromatides-sœurs) → Télophase II
2. Production de 4 cellules haploïdes (gamètes)

2.4 Les deux sources de brassage génétique

1. Brassage interchromosomique (méiose I — orientation aléatoire) :

• Les chromosomes homologues de chaque paire se placent aléatoirement de part et d'autre de la plaque équatoriale
• Pour n paires de chromosomes → 2ⁿ combinaisons possibles
• Chez l'Homme (n = 23) : 2²³ ≈ 8 millions de combinaisons différentes

2. Brassage intrachromosomique (crossing-over) :

• Échange de segments entre chromosomes homologues lors de la prophase I
• Crée de nouvelles combinaisons alléliques sur un même chromosome (recombinaison génétique)
• Augmente considérablement la diversité des gamètes

💡 La méiose + la fécondation aléatoire garantissent une diversité génétique quasi-infinie au sein d'une espèce à reproduction sexuée. C'est une source de variation sur laquelle agit la sélection naturelle.

2.5 La fécondation

• La fécondation est la fusion de deux gamètes haploïdes → zygote diploïde
• Elle est aléatoire : n'importe quel spermatozoïde peut féconder n'importe quel ovule
• Elle constitue une troisième source de brassage génétique (combinaison aléatoire de deux génomes parentaux)

Bilan de la reproduction sexuée :

Méiose (brassage inter + intrachromosomique)
  ↓
Gamètes très diversifiés
  ↓
Fécondation aléatoire
  ↓
Zygotes génétiquement uniques

Partie 3 — Expression du génome et diversité des phénotypes

3.1 Du gène à la protéine — Rappel du dogme central

ADN → (Transcription) → ARNm → (Traduction) → Protéine

Transcription (noyau) :

• L'ARN polymérase lit le brin matrice de l'ADN (3'→5')
• Synthèse de l'ARNm (5'→3') avec remplacement de la Thymine par l'Uracile (U)
• Maturation de l'ARNm (épissage des introns chez les eucaryotes)

Traduction (cytoplasme, ribosomes) :

• Un codon = 3 nucléotides consécutifs → code pour 1 acide aminé
• L'ARNt apporte les acides aminés grâce à son anticodon complémentaire du codon
• La chaîne d'acides aminés se replie pour former une protéine fonctionnelle

3.2 Relation génotype-phénotype

L'environnement influence le phénotype :

• Le génotype définit un potentiel (norme de réaction)
• L'environnement détermine quelle partie de ce potentiel s'exprime
• Exemples : taille (gènes + nutrition), couleur de peau (gènes + exposition solaire)

Phénotypes à différentes échelles :

Exemple de la drépanocytose :

• Mutation ponctuelle dans le gène de la β-globine : GAG → GUG (Glu → Val)
• Hémoglobine anormale (HbS) qui polymérise en conditions hypoxiques
• Phénotype : déformation des globules rouges, anémie falciforme

3.3 Dominance et interactions alléliques

Dominance complète : Aa présente le même phénotype que AA. L'allèle récessif a est "masqué".

Codominance : Les deux allèles s'expriment simultanément. Exemple : groupe sanguin AB (allèle Iᴬ et allèle Iᴮ codominants).

Dominance incomplète : L'hétérozygote présente un phénotype intermédiaire. Exemple : fleur de belle-de-nuit rouge (RR) × blanche (rr) → rose (Rr).

Partie 4 — La photosynthèse

4.1 Bilan général de la photosynthèse

La photosynthèse est le processus par lequel les végétaux chlorophylliens (et certains procaryotes) convertissent l'énergie lumineuse en énergie chimique.

Équation bilan :

6 CO₂ + 6 H₂O + énergie lumineuse → C₆H₁₂O₆ (glucose) + 6 O₂

💡 La photosynthèse est réalisée dans les chloroplastes, organites présents dans les cellules végétales.

4.2 Les deux phases de la photosynthèse

Phase photochimique (réactions lumineuses) — Thylakoïdes :

• Absorption des photons par les pigments photosynthétiques (chlorophylles a et b, caroténoïdes)
• Photolyse de l'eau : H₂O → O₂ + H⁺ + e⁻ (source d'O₂ rejeté dans l'atmosphère)
• Production d'ATP et de NADPH (pouvoir réducteur)

Phase biochimique (cycle de Calvin) — Stroma :

• Fixation du CO₂ sur le RuBP (ribulose bisphosphate) par la RuBisCO
• Réduction du CO₂ en glucides grâce à l'ATP et au NADPH produits en phase lumineuse
• Régénération du RuBP (cycle)

4.3 Les pigments photosynthétiques

Les pigments absorbent certaines longueurs d'onde de la lumière :

💡 La couleur verte des feuilles s'explique par le fait que les chlorophylles reflètent la lumière verte (longueur d'onde ~550 nm).

4.4 Facteurs limitants de la photosynthèse

La vitesse de photosynthèse est limitée par le facteur le plus défavorable (loi du minimum de Liebig) :

• Intensité lumineuse : au-delà d'un seuil de saturation, la lumière n'augmente plus la photosynthèse
• Concentration en CO₂ : facteur souvent limitant en conditions naturelles
• Température : optimum entre 25 et 35°C ; au-dessus, les enzymes se dénaturent
• Eau : fermeture des stomates en cas de sécheresse → limitation des échanges gazeux

Partie 5 — La diversité et l'évolution du monde vivant

5.1 La classification phylogénétique

La classification phylogénétique (ou cladistique) classe les êtres vivants en fonction de leur parenté évolutive, estimée par les caractères dérivés partagés (synapomorphies).

Arbre phylogénétique :

• Représente les relations de parenté entre espèces
• Les nœuds représentent des ancêtres communs hypothétiques
• Plus deux espèces partagent de caractères dérivés, plus elles sont proches

Exemples de groupes monophylétiques (clades) :

5.2 Les preuves de l'évolution

Preuves paléontologiques :

• Les fossiles témoignent d'espèces disparues et permettent de reconstituer des lignées évolutives
• Exemple : fossiles d'Archaeopteryx → transition reptiles-oiseaux
• Gradient temporel dans les couches géologiques → succession des formes au cours du temps

Preuves anatomiques :

• Homologie : structures de même origine embryologique mais de fonctions différentes
• Ex. : membre antérieur du cheval, de la chauve-souris, de la baleine, de l'Homme → même plan de base (humérus-radius-cubitus-carpiens-phalanges)
• Analogie (convergence évolutive) : structures de fonctions similaires mais d'origines différentes
• Ex. : aile de chauve-souris (tétrapode) vs aile de mouche (insecte)

Preuves moléculaires :

• Comparaison des séquences d'ADN ou de protéines entre espèces
• Plus deux espèces sont proches phylogénétiquement, plus leurs séquences sont similaires
• Ex. : ADN humain vs chimpanzé → ~98,7% d'identité

Preuves embryologiques :

• Tous les embryons de vertébrés présentent des arcs branchiaux et une notochorde au début du développement → héritage d'un ancêtre commun

5.3 Les mécanismes de l'évolution

La sélection naturelle (Darwin, 1859) :

1. Surproduction : les organismes produisent plus de descendants que le milieu ne peut en supporter
2. Variabilité : les individus d'une population présentent des variations héréditaires
3. Sélection : les variants les mieux adaptés à leur environnement ont une meilleure survie et reproduction
4. Transmission : les allèles favorables sont transmis à la descendance → modification de la fréquence allélique

La dérive génétique :

• Variations aléatoires des fréquences alléliques dans une population
• Particulièrement importante dans les petites populations (effet fondateur, goulot d'étranglement)
• Peut conduire à la fixation ou l'élimination d'un allèle, indépendamment de sa valeur sélective

Les mutations :

• Source ultime de variation génétique
• La plupart sont neutres ou délétères ; rarement avantageuses
• Constituent le "matériau brut" sur lequel agit la sélection naturelle

5.4 La spéciation

La spéciation est la formation d'une nouvelle espèce. Elle nécessite généralement un isolement reproducteur.

Spéciation allopatrique :

1. Séparation géographique d'une population en deux sous-populations (barrière géographique : montagne, mer, désert)
2. Évolution indépendante dans des conditions différentes → divergence génétique
3. Après réunion des populations : isolement reproducteur (incompatibilité génétique, comportementale, temporelle…) → deux espèces distinctes

Exemple classique : Écureuils du Grand Canyon (Arizona) — population séparée depuis ~10 000 ans → divergence morphologique et comportementale

Spéciation sympatrique :

• Sans isolement géographique
• Possible par polyploïdie (surtout chez les végétaux) : doublement du nombre de chromosomes → hybride stérile qui peut se reproduire par autofécondation → nouvelle espèce
• Exemples : blé dur (tétraploïde), blé tendre (hexaploïde)

Partie 6 — Le fonctionnement de l'organisme : système nerveux et hormonal

6.1 Le système nerveux

Organisation générale :

• Système nerveux central (SNC) : encéphale + moelle épinière
• Système nerveux périphérique (SNP) : nerfs crâniens et rachidiens
• Somatique (volontaire) : muscles squelettiques
• Autonome (involontaire) : organes internes (sympathique/parasympathique)

Le neurone — Rappel :

• Corps cellulaire (soma) → dendrites (récepteurs) → axone (conducteur) → boutons synaptiques
• L'influx nerveux = potentiel d'action : signal électrique tout-ou-rien
• Vitesse de conduction : 0,5 à 120 m/s selon le diamètre de l'axone et la myélinisation

6.2 L'arc réflexe

Un réflexe est une réponse involontaire, rapide et stéréotypée à un stimulus.

Composants de l'arc réflexe :

Récepteur → Neurone afférent (sensitif) → Centre intégrateur (moelle épinière)
    → Neurone efférent (moteur) → Effecteur (muscle)

Exemple — Réflexe myotatique (genou) :

1. Choc sur le tendon → étirement du muscle quadriceps
2. Activation des fuseaux neuromusculaires (propriocepteurs)
3. Signal envoyé à la moelle épinière
4. Activation des motoneurones du quadriceps → contraction

6.3 Intégration nerveuse et plasticité synaptique

La synapse :

• Zone de communication entre deux neurones (synapse neuro-neuronale) ou entre un neurone et un effecteur (synapse neuromusculaire)
• Transmission chimique par neurotransmetteurs (NT)
• PPSE (potentiel post-synaptique excitateur) ou PPSI (inhibiteur)

Sommation des signaux :

• Sommation temporelle : plusieurs PA successifs sur la même synapse → potentialisation
• Sommation spatiale : plusieurs synapses actives simultanément → intégration

Plasticité synaptique :

• LTP (Long-Term Potentiation) : renforcement durable de la synapse après stimulation répétée → base cellulaire de la mémoire et de l'apprentissage
• Exemple : les sportifs développent de nouvelles connexions synaptiques grâce à l'entraînement

6.4 Le système endocrinien

Les hormones sont des messagers chimiques produits par des glandes endocrines, transportés par le sang, et agissant sur des cellules cibles éloignées.

Comparaison système nerveux / système endocrinien :

Principales hormones et leurs effets :

6.5 Régulation de la glycémie — Exemple d'homéostasie

La glycémie (concentration en glucose sanguin) est maintenue autour de 1 g/L chez l'Homme.

Régulation :

Repas → glycémie↑ → pancréas sécrète INSULINE
    → captage du glucose par le foie (glycogenèse) et les muscles
    → glycémie revient à 1 g/L

Effort → glycémie↓ → pancréas sécrète GLUCAGON
    → foie dégrade le glycogène (glycogénolyse) + néoglucogenèse
    → glycémie revient à 1 g/L

Diabète sucré :

• Diabète de type 1 (insulino-dépendant) : destruction auto-immune des cellules β du pancréas → pas d'insuline → hyperglycémie chronique
• Diabète de type 2 : résistance à l'insuline des cellules cibles (souvent lié à l'obésité)

Partie 7 — Immunologie (bases de Première)

7.1 Les niveaux de défense

L'organisme dispose de défenses hiérarchisées face aux agents pathogènes (bactéries, virus, parasites, champignons).

Barrières physico-chimiques (non spécifiques) :

• Peau (imperméable, kératine)
• Mucus et cils vibratiles (piègent les pathogènes)
• Acidité gastrique (pH ~2 détruit la plupart des bactéries)
• Flore commensale (microbiote) : compétition avec les pathogènes

Immunité innée (non spécifique, rapide) :

• Macrophages, neutrophiles, cellules NK, cellules dendritiques
• Phagocytose, inflammation, fièvre

Immunité adaptative (spécifique, mémorielle) :

• Lymphocytes B → anticorps
• Lymphocytes T → destruction des cellules infectées

7.2 La réaction inflammatoire

Lors d'une infection ou blessure :

1. Les mastocytes libèrent de l'histamine → vasodilatation et augmentation de la perméabilité vasculaire
2. Recrutement des phagocytes (neutrophiles, macrophages) par chimiotaxie
3. Phagocytose : ingestion et destruction des agents pathogènes
4. Les macrophages présentent des antigènes aux lymphocytes T → déclenchement de l'immunité adaptative

Signes cliniques de l'inflammation :

• Rougeur (vasodilatation)
• Chaleur (vasodilatation + fièvre locale)
• Gonflement (œdème)
• Douleur (activation des nocicepteurs par les médiateurs)

7.3 Les anticorps

Un anticorps (immunoglobuline) est une protéine produite par les plasmocytes (lymphocytes B différenciés) en réponse à un antigène spécifique.

Structure :

• 2 chaînes lourdes + 2 chaînes légères reliées par des ponts disulfure (forme en Y)
• Région variable (Fab) : spécifique de l'antigène
• Région constante (Fc) : fixe le complément, lie les récepteurs des phagocytes

Mécanismes d'action des anticorps :

• Neutralisation : blocage du site actif d'une toxine ou d'un virus
• Opsonisation : marquage des agents pathogènes pour faciliter la phagocytose
• Activation du complément : cascade enzymatique → lyse de la bactérie

Partie 8 — Écologie et développement durable

8.1 Les écosystèmes et leurs composants

• Écosystème = Biocénose (ensemble des êtres vivants) + Biotope (milieu physico-chimique)
• Population : ensemble d'individus de la même espèce vivant dans un même lieu
• Communauté : ensemble des populations d'un milieu

Les interactions entre espèces :

8.2 Les flux d'énergie

Chaîne alimentaire type :

Producteurs primaires → Consommateurs primaires → Consommateurs secondaires → Décomposeurs
(Plantes, algues)       (Herbivores)               (Carnivores)

Rendement énergétique :

• Environ 10 % de l'énergie est transférée d'un niveau trophique au suivant
• 90 % sont perdus (chaleur métabolique, excrétion, parties non consommées)
• Conséquence pratique : les régimes végétariens sont plus "efficaces" énergétiquement

Pyramides écologiques :

• Pyramide des nombres : nombre d'individus par niveau trophique
• Pyramide de biomasse : masse sèche totale par niveau trophique
• Pyramide d'énergie : flux d'énergie (toujours en forme de pyramide)

8.3 Les cycles biogéochimiques

Cycle du carbone :

CO₂ atmosphérique
   ↓ (photosynthèse)
Matière organique des végétaux
   ↓ (consommation, respiration)
CO₂ atmosphérique
   ↓ (sédimentation sur des millions d'années)
Charbon, pétrole, gaz naturel (carbone fossile)
   ↓ (combustion humaine)
CO₂ atmosphérique (excès actuel)

Cycle de l'azote :

• Fixation de l'N₂ atmosphérique par des bactéries fixatrices (Rhizobium) → ammonium NH₄⁺
• Nitrification : NH₄⁺ → NO₂⁻ → NO₃⁻ (par des bactéries nitrifiantes)
• Absorption par les végétaux → protéines
• Dénitrification : retour à N₂ atmosphérique

8.4 Biodiversité et enjeux actuels

Trois niveaux de biodiversité :

1. Diversité génétique : variabilité des génomes au sein d'une espèce
2. Diversité spécifique : nombre et répartition des espèces dans un milieu
3. Diversité écosystémique : variété des écosystèmes sur Terre

Causes de l'érosion de la biodiversité (les "5 fléaux") :

• Destruction et fragmentation des habitats (déforestation, urbanisation)
• Surexploitation des ressources (pêche, chasse)
• Pollution (pesticides, microplastiques, pollutions lumineuse et sonore)
• Espèces invasives (compétition, prédation avec les espèces locales)
• Changement climatique (déplacement des niches écologiques)

💡 6ᵉ extinction de masse en cours : Le taux actuel d'extinction est estimé 100 à 1000 fois supérieur au taux naturel de fond.

Résumé — Tableaux récapitulatifs

Vocabulaire essentiel de génétique

Les grandes étapes de la méiose

Comparaison mitose / méiose

Méthode — Analyser un résultat de croisement

Méthode en 5 étapes :

1. Identifier le phénotype parental (P1 × P2) et noter les caractères
2. Analyser la F1 : si uniformité → dominance ; si 50/50 → codominance ou test-cross
3. Analyser la F2 (ou F1 × F1) :

• Ratio 3:1 → monohybride avec dominance
• Ratio 1:2:1 → dominance incomplète / codominance
• Ratio 9:3:3:1 → dihybride, gènes indépendants

1. Écrire les génotypes parentaux
2. Construire l'échiquier de croisement et vérifier la cohérence avec les ratios observés

💡 Astuce test-cross (croisement-test) : Croiser un individu de phénotype dominant inconnu avec un individu homozygote récessif (aa).

- Résultat 100% phénotype dominant → individu était homozygote (AA)

- Résultat 50/50 → individu était hétérozygote (Aa)

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