4.3 – Réplication 4.3 – Réplication de l’ADNde l’ADN

SBI 4USBI 4U

Dominic DécoeurDominic Décoeur

IntroductionIntroduction

Structure et réplication de l’ADNStructure et réplication de l’ADN

http://fr.encarta.msn.com/media_701767208/Structure_et_r%C3%A9plication_de_l'ADN.html

Introduction Introduction

Avant qu’une cellule se divise, il faut Avant qu’une cellule se divise, il faut que son ADN se réplique exactement que son ADN se réplique exactement de sorte que la cellule puisse de sorte que la cellule puisse transmettre des copies identiques de transmettre des copies identiques de ses gènes à chacune des cellules ses gènes à chacune des cellules filles. filles.

Le processus de réplication de l’ADN Le processus de réplication de l’ADN établit l’équilibre entre le besoin de établit l’équilibre entre le besoin de rapidité et le besoin de précision.rapidité et le besoin de précision.

IntroductionIntroduction Par exemple, imagine qu’on te demande de Par exemple, imagine qu’on te demande de

taper des codes d’une lettre pour chacune des taper des codes d’une lettre pour chacune des milliards de bases présentées dans le génome milliards de bases présentées dans le génome (somme de tous les ADN dans les cellules de (somme de tous les ADN dans les cellules de l’organisme) d’une seule cellule humaine. Si tu l’organisme) d’une seule cellule humaine. Si tu tapes 60 mots à la minute sans jamais arrêter, tapes 60 mots à la minute sans jamais arrêter, cela te prendrait plus de 30 ans pour terminer cela te prendrait plus de 30 ans pour terminer la séquence.la séquence.

Une cellule met seulement quelques heures à Une cellule met seulement quelques heures à peine pour copier le même matériel.peine pour copier le même matériel.

Le taux d’erreur lors de la réplication est Le taux d’erreur lors de la réplication est d’environ 1 erreur pour 1 milliards de d’environ 1 erreur pour 1 milliards de nucléotides.nucléotides.

Les théories avancéesLes théories avancées Les 3 principales théories avancées pour Les 3 principales théories avancées pour

la réplication d’ADN:la réplication d’ADN:

ConservatriceConservatrice : formation de 2 nouveaux brins fils à  : formation de 2 nouveaux brins fils à partir des matrices parents et ces nouveaux brins partir des matrices parents et ces nouveaux brins s’unissent ensuite pour créer une nouvelle double s’unissent ensuite pour créer une nouvelle double hélice.hélice.

Semi-conservatriceSemi-conservatrice : chacune des molécules d’ADN  : chacune des molécules d’ADN filles se compose d’un brin parent et d’un nouveau filles se compose d’un brin parent et d’un nouveau brin.brin.

DispersiveDispersive : les molécules d’ADN parents sont  : les molécules d’ADN parents sont décomposées en fragments et les 2 brins d’ADN dans décomposées en fragments et les 2 brins d’ADN dans chacune des molécules filles sont constitués d’un chacune des molécules filles sont constitués d’un assortiment d’ADN parental et de nouvel ADN.assortiment d’ADN parental et de nouvel ADN.

Modèle conservatifModèle conservatif Modèle semi conservatifModèle semi conservatif Modèle dispersifModèle dispersif

Les théories avancéesLes théories avancées

À partir d'une molécule, on en obtient deux parfaitement identiques. À partir d'une molécule, on en obtient deux parfaitement identiques. Chacune des deux nouvelles obtenues est formée d'un brin de la Chacune des deux nouvelles obtenues est formée d'un brin de la molécule d'origine et d'un nouveau brin assemblé à partir des molécule d'origine et d'un nouveau brin assemblé à partir des nucléotides ajoutés. C'est ce qu'on a appelé un mode de reproduction nucléotides ajoutés. C'est ce qu'on a appelé un mode de reproduction semi-conservatif.semi-conservatif.

L’ADN : un modèle semi-conservatifL’ADN : un modèle semi-conservatif

AnimationsAnimations

La réplication de l’ADNLa réplication de l’ADN

http://www.courses.fas.harvard.edu/%7Ebiotext/animations/replication1.swf

http://highered.mcgraw-hill.com/http://highered.mcgraw-hill.com/sites/0072437316/student_view0/sites/0072437316/student_view0/chapter14/animations.htmlchapter14/animations.html

Processus de réplicationProcessus de réplication

Le processus de réplication se fait en Le processus de réplication se fait en trois phases :trois phases :

L’activationL’activation

L’élongationL’élongation

L’achèvementL’achèvement

L’activationL’activation

Cette séquence est reconnue par un groupe Cette séquence est reconnue par un groupe d’enzymes qui se lient à l’ADN au début et séparent d’enzymes qui se lient à l’ADN au début et séparent les 2 brins pour ouvrir une bulle de réplication. les 2 brins pour ouvrir une bulle de réplication.

L’ouverture de la bulle se fait à l’aide de l’L’ouverture de la bulle se fait à l’aide de l’ADN ADN hélicasehélicase. Ces enzymes coupent les liaisons H et . Ces enzymes coupent les liaisons H et déroulent de courts segments d’ADN juste avant la déroulent de courts segments d’ADN juste avant la fourche de réplication.fourche de réplication.

L’ADN hélicase agit un peu comme la L’ADN hélicase agit un peu comme la

tirette d’une fermeture éclaire qui tirette d’une fermeture éclaire qui

sépare les deux parties de la fermeture.sépare les deux parties de la fermeture.

L’activationL’activation

Une fois la bulle ouverte, les Une fois la bulle ouverte, les molécules d’un enzyme appelé molécules d’un enzyme appelé ADNADN polymérasepolymérase s’insèrent dans l’espace s’insèrent dans l’espace entre les 2 brins. entre les 2 brins.

Ils commencent à ajouter un Ils commencent à ajouter un nucléotide à la fois afin de créer un nucléotide à la fois afin de créer un nouveau brin complémentaire du nouveau brin complémentaire du brin matrice existant.brin matrice existant.

L’activationL’activation Il faut que l’hélice soit déroulée afin que les Il faut que l’hélice soit déroulée afin que les

chaînes de nucléotides servent de matrice chaînes de nucléotides servent de matrice pour la formation de nouveaux brins.pour la formation de nouveaux brins.

L’endroit où l’hélice est déroulée et où les L’endroit où l’hélice est déroulée et où les nouveaux brins se développent s’appellent nouveaux brins se développent s’appellent les les fourches de réplicationfourches de réplication. La vitesse . La vitesse d’assemblage des nucléotides à chaque d’assemblage des nucléotides à chaque fourche est de l’ordre de 100 nucléotides à la fourche est de l’ordre de 100 nucléotides à la seconde.seconde.

On retrouve une fourche à chaque extrémité On retrouve une fourche à chaque extrémité d’une bulle de réplication.d’une bulle de réplication.

L’élongationL’élongation Il y a 2 conditions au processus Il y a 2 conditions au processus

d’élongation :d’élongation : La réplication a seulement lieu dans le sens 5`→ 3`.La réplication a seulement lieu dans le sens 5`→ 3`. Un court brin d’Un court brin d’ARN primaseARN primase, ou amorce, doit être , ou amorce, doit être

libre pour servir de nouveaux nucléotides.libre pour servir de nouveaux nucléotides.

Les Les fragments d’Okazakifragments d’Okazaki apparaissent apparaissent pendant l’élongation du brins d’ADN fils pendant l’élongation du brins d’ADN fils qui se construit forcément dans la qui se construit forcément dans la direction 3`→ 5`(du brin d’origine).direction 3`→ 5`(du brin d’origine).

L’ADN polymérase synthétise ces courts L’ADN polymérase synthétise ces courts segments d’ADN dans le sens 5`→ 3`puis segments d’ADN dans le sens 5`→ 3`puis les segments sont collés ensemble à l’aide les segments sont collés ensemble à l’aide de de l’ADN ligasel’ADN ligase..

L’élongationL’élongation La réplication se déroule de manière La réplication se déroule de manière

différente d’un brin à l’autre.différente d’un brin à l’autre.

Brin principalBrin principal : ce brin est répliqué sans  : ce brin est répliqué sans interruption dans le sens 5` → 3` et des interruption dans le sens 5` → 3` et des nucléotides s’ajoutent régulièrement le long nucléotides s’ajoutent régulièrement le long du brin fils. Ce brin suit toujours la fourche du brin fils. Ce brin suit toujours la fourche de réplication.de réplication.

Brin secondaireBrin secondaire : un enzyme (ADN ligase)  : un enzyme (ADN ligase) colle les fragments ensemble, ce qui colle les fragments ensemble, ce qui catalyse la formation des liaisons phosphate catalyse la formation des liaisons phosphate entre les nucléotides. Il se forme beaucoup entre les nucléotides. Il se forme beaucoup plus lentement que le brin principal.plus lentement que le brin principal.

L’élongationL’élongation Dans la cellule, l'ADN, après avoir été Dans la cellule, l'ADN, après avoir été

séparé en deux brins par l'hélicase, se séparé en deux brins par l'hélicase, se déroule sur une certaine longueur. L'ADN déroule sur une certaine longueur. L'ADN polymérase assemble alors, au fur et à polymérase assemble alors, au fur et à mesure que la molécule se sépare, le brin mesure que la molécule se sépare, le brin complémentaire 5' - 3' (celui qui s'apparie complémentaire 5' - 3' (celui qui s'apparie au brin d'origine 3' - 5'). au brin d'origine 3' - 5').

Lorsqu'une certaine longueur d'ADN a été Lorsqu'une certaine longueur d'ADN a été séparé en deux brins, une autre ADN séparé en deux brins, une autre ADN polymérase commence à assembler, dans polymérase commence à assembler, dans le sens contraire, le brin complémentaire le sens contraire, le brin complémentaire de l'autre partie. de l'autre partie.

L’élongationL’élongation Sur le brin d'origine 3' - 5' (celui du haut sur Sur le brin d'origine 3' - 5' (celui du haut sur

image), le nouveau brin s'assemble au fur et à image), le nouveau brin s'assemble au fur et à mesure que l'ADN est séparé en deux brins. mesure que l'ADN est séparé en deux brins.

Sur l'autre brin d'origine, le 5 ' - 3' (celui du bas Sur l'autre brin d'origine, le 5 ' - 3' (celui du bas sur l'image), le nouveau brin s'assemble dans la sur l'image), le nouveau brin s'assemble dans la direction contraire de l'autre nouveau (de droite à direction contraire de l'autre nouveau (de droite à gauche sur l'image). gauche sur l'image).

Au fur et à mesure que s'ouvre l'ADN, une ADN Au fur et à mesure que s'ouvre l'ADN, une ADN polymérase assemble dans la direction 5' - 3' un polymérase assemble dans la direction 5' - 3' un court fragment d'Okazaki. Le brin d'origine 5' - 3' court fragment d'Okazaki. Le brin d'origine 5' - 3' est donc copié petit bout par petit bout par est donc copié petit bout par petit bout par plusieurs ADN polymérases différentes. plusieurs ADN polymérases différentes.

L’élongationL’élongation Le schéma présenté plutôt n'est pas encore tout Le schéma présenté plutôt n'est pas encore tout

à fait fidèle à la réalité. Il manque encore quelque à fait fidèle à la réalité. Il manque encore quelque chose, les amorces (ARN primase).chose, les amorces (ARN primase).

L'ADN polymérase ne peut fonctionner que si elle L'ADN polymérase ne peut fonctionner que si elle se fixe d'abord sur une amorce. Cette amorce est se fixe d'abord sur une amorce. Cette amorce est formée d'un court segment d'ARN formée d'un court segment d'ARN complémentaire à un segment du brin à copier.complémentaire à un segment du brin à copier.

L'amorce mesure environ une dizaine de L'amorce mesure environ une dizaine de nucléotides. Partout où se forme une amorce, une nucléotides. Partout où se forme une amorce, une ADN polymérase peut commencer à assembler ADN polymérase peut commencer à assembler des nucléotides. des nucléotides.

L’élongationL’élongation C'est une autre enzyme, la C'est une autre enzyme, la primaseprimase qui sert à qui sert à

assembler ces amorces. Dès qu'une amorce est assembler ces amorces. Dès qu'une amorce est assemblée, l'ADN polymérase peut commencer assemblée, l'ADN polymérase peut commencer son travail.son travail.

À la fin de la synthèse du brin complémentaire, À la fin de la synthèse du brin complémentaire, une enzyme, l'ADN polymérase remplace les une enzyme, l'ADN polymérase remplace les ribonucléotides des amorces par des ribonucléotides des amorces par des désoxyribonucléotides (les A, T, C et G de l'ADN). désoxyribonucléotides (les A, T, C et G de l'ADN). Le brin d'ARN que formait l'amorce est donc Le brin d'ARN que formait l'amorce est donc remplacé par un brin d'ADN.remplacé par un brin d'ADN.

Une dernière enzyme, l'ADN Une dernière enzyme, l'ADN ligaseligase vient rattacher vient rattacher les uns aux autres tous ces segmentsles uns aux autres tous ces segments..

L’achèvementL’achèvement Dès que les nouveaux brins sont terminés, les molécules Dès que les nouveaux brins sont terminés, les molécules

d’ADN s’enroulent automatiquement pour retrouver leur d’ADN s’enroulent automatiquement pour retrouver leur structure hélicoïdale chimique stable.structure hélicoïdale chimique stable.

Cependant, la synthèse d’ADN entraîne un nouveau Cependant, la synthèse d’ADN entraîne un nouveau problème à chaque extrémité du chromosome linéaire.problème à chaque extrémité du chromosome linéaire.

L’ADN polymérase coupe une amorce d’ARN d’un L’ADN polymérase coupe une amorce d’ARN d’un fragment d’Okazaki, l’espace est comblé par l’addition fragment d’Okazaki, l’espace est comblé par l’addition de nucléotide à l’extrémité 3` du fragment d’Okazaki de nucléotide à l’extrémité 3` du fragment d’Okazaki adjacent.adjacent.

Lorsque l’amorce d’ARN est coupée à l’extrémité 5` des Lorsque l’amorce d’ARN est coupée à l’extrémité 5` des molécules d’ADN, il n’y a pas de chaîne de nucléotide molécules d’ADN, il n’y a pas de chaîne de nucléotide adjacente avec une extrémité 3` disponible pour adjacente avec une extrémité 3` disponible pour combler l’espace. Le résultat est que les molécules combler l’espace. Le résultat est que les molécules d’ADN sont un peu plus courtes que leur matrice parent. d’ADN sont un peu plus courtes que leur matrice parent.

En 1, afin d’obtenir un brin En 1, afin d’obtenir un brin complémentaire à l’original, il complémentaire à l’original, il est nécessaire d’avoir une est nécessaire d’avoir une amorce (ARN primase) afin de amorce (ARN primase) afin de débuter la réplication.débuter la réplication.

En 2, la réplication a En 2, la réplication a commencé.  commencé.         

En 3, l’amorce ARN est En 3, l’amorce ARN est supprimée laissant supprimée laissant potentiellement un «trou» par potentiellement un «trou» par lequel l’ADN pourrait être lequel l’ADN pourrait être dégradé.  dégradé. 

En 4, l’extrémité du télomère En 4, l’extrémité du télomère se recourbe pour faire une se recourbe pour faire une extrémité en « épingle de extrémité en « épingle de cheveux », comme dans la cheveux », comme dans la figure précédente. figure précédente.

L’achèvementL’achèvement

Schéma d’un télomère en épingle : Le fragment 5’ se termine Schéma d’un télomère en épingle : Le fragment 5’ se termine normalement. En [1], le fragment 3’ se recourbe en épingle. normalement. En [1], le fragment 3’ se recourbe en épingle. Les guanines [2] se combinent entre elles par une Les guanines [2] se combinent entre elles par une modification de leur configuration des sucres associés. modification de leur configuration des sucres associés. L’extrémité est ainsi protégée.L’extrémité est ainsi protégée.

L’achèvementL’achèvement

L’achèvementL’achèvement Chaque réplication entraîne la perte d’ADN Chaque réplication entraîne la perte d’ADN

chez les cellules eucaryotes.chez les cellules eucaryotes.

La perte de matériel génétique entraînée La perte de matériel génétique entraînée par chaque division cellulaire pourrait être par chaque division cellulaire pourrait être désastreuse car le matériel perdu pourrait désastreuse car le matériel perdu pourrait contenir des codes pour des activités contenir des codes pour des activités essentielles aux fonctions cellulaires.essentielles aux fonctions cellulaires.

Des parties appelées télomères servent de Des parties appelées télomères servent de zone tampon. Elles sont des extensions zone tampon. Elles sont des extensions des séquences de nucléotide très des séquences de nucléotide très répétitives et riche en nucléotides G. répétitives et riche en nucléotides G.

L’achèvementL’achèvement Les télomères, ou extrémités des chromosomes, Les télomères, ou extrémités des chromosomes,

sont indispensables pour préserver l’intégrité du sont indispensables pour préserver l’intégrité du matériel génétique au cours du cycle cellulaire. matériel génétique au cours du cycle cellulaire.

Ils se composent de séquence TTAGGG et Ils se composent de séquence TTAGGG et permet d’éviter la perte de matériel génétique. permet d’éviter la perte de matériel génétique.

L’érosion de la télomère peut entraîner la mort L’érosion de la télomère peut entraîner la mort de la cellule et l’extension des télomères allonge de la cellule et l’extension des télomères allonge la durée de vie de la cellule.la durée de vie de la cellule.

La vérification et la correctionLa vérification et la correction

Après qu’un nucléotide s’ajoute à un nouveau Après qu’un nucléotide s’ajoute à un nouveau brin d’ADN, l’ADN polymérase peut brin d’ADN, l’ADN polymérase peut reconnaître s’il y a ou non une liaison reconnaître s’il y a ou non une liaison hydrogène entre les paires car l’absence de hydrogène entre les paires car l’absence de liaison d’hydrogène signale un mauvais liaison d’hydrogène signale un mauvais jumelage entre les bases.jumelage entre les bases.

La polymérase coupe alors la mauvaise base La polymérase coupe alors la mauvaise base du nouveau brin et ajoute le bon nucléotide du nouveau brin et ajoute le bon nucléotide en utilisant le brin parent comme matrice. en utilisant le brin parent comme matrice. Alors, on peut mentionner qu’il vérifie le bon Alors, on peut mentionner qu’il vérifie le bon appariement des bases azotées.appariement des bases azotées.

AnimationsAnimations http://www.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/http://www.cegep-ste-foy.qc.ca/profs/

gbourbonnais/pascal/nya/genetique/notesadn/gbourbonnais/pascal/nya/genetique/notesadn/DNA_replication.movDNA_replication.mov

http://bcs.whfreeman.com/mga2e/pages/bcs-http://bcs.whfreeman.com/mga2e/pages/bcs-main.asp?v=category&s=003&n=37&i=75.2&o=|main.asp?v=category&s=003&n=37&i=75.2&o=|14|26|37|&ns=014|26|37|&ns=0

http://www.johnkyrk.com/DNAreplication.fr.htmlhttp://www.johnkyrk.com/DNAreplication.fr.html

http://strangepaths.com/replication-de-ladn/http://strangepaths.com/replication-de-ladn/2007/07/03/fr/2007/07/03/fr/

DevoirsDevoirs p. 240p. 240

(3, 5, 6, (3, 5, 6, 77))

p. 241 à 246p. 241 à 246 :  : Faire la lecture par vous-même.Faire la lecture par vous-même. Définition des termes suivants : gène, génome, séquences Définition des termes suivants : gène, génome, séquences

régulatrices, familles multigéniquesrégulatrices, familles multigéniques

p. 246p. 246 (1, 3, 4, 6)(1, 3, 4, 6)

p. 247-248p. 247-248(2, 3, 4, 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, (2, 3, 4, 8, 9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 2828))

Vérifier :Vérifier :

http://nhscience.lonestar.edu/biol//http://nhscience.lonestar.edu/biol//bio1int.htm#dnabio1int.htm#dna