La réplication de l'ADN
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Introduction :
L’ADN est la molécule support de l’information génétique. C’est la plus longue molécule connue chez les êtres vivants !
Nous avons déjà vu que la cellule subit le cycle cellulaire, et qu’avant la phase de division, l’ADN se réplique. Observons maintenant plus en détail la structure de la molécule d’ADN, et quel est le mécanisme qui permet sa réplication. Nous étudierons ensuite les mécanismes et techniques de clonages qui se basent sur la réplication de l’ADN.
La molécule d’ADN
La molécule d’ADN
Rappel
ADN signifie Acide DésoxyriboNucléique.
C’est le support de l’information génétique. La molécule d’ADN est constituée de deux brins, et chaque brin est constitué d’un enchaînement de nucléotides, qu’on appelle aussi bases. C’est cet enchaînement qui est porteur de l’information, on l’appelle la séquence.
Il existe $4$ bases de nucléotide :
- l’adénine, notée A ;
- la thymine, notée T ;
- la cytosine, notée C ;
- la guanine, notée G.
Les deux brins s’enroulent sur eux-mêmes pour former une double hélice.
On dit qu’ils sont appariés et complémentaires : la liaison entre les bases de chaque brin ne se fait pas de manière quelconque car les bases sont complémentaires deux à deux, A avec T et C avec G.
À retenir
La molécule d’ADN à double brin est condensée dans le noyau : c’est cette condensation qu’on appelle chromosome.
- Une molécule d’ADN donne un chromosome à $1$ chromatide.
Astuce
C’est parce qu’il est condensé que l’ADN peut être contenu dans le noyau des cellules : lorsqu’il est totalement déroulé l’ADN peut mesurer près de $2\,\text{m}$ de long !
Nous allons voir comment un chromosome à $1$ chromatide peut se répliquer, c’est-à-dire former un chromosome à $2$ chromatides.
La réplication semi-conservative
La réplication semi-conservative
Rappel
Comme nous l’avons déjà vu, la cellule va subir les différentes phases du cycle cellulaire. L’ADN se réplique lors de la phase S du cycle cellulaire et passe ainsi d’un chromosome à $1$ chromatide à un chromosome à $2$ chromatides.
Lors de cette phase, après ouverture de la double hélice d’ADN, un complexe enzymatique, l’ADN polymérase, va permettre la synthèse d’une nouvelle molécule d’ADN par complémentarité des bases sur chacun des brins originaux.
Définition
ADN polymérase :
L’ADN polymérase est un complexe enzymatique servant à la réplication de l’ADN dans le noyau.
Comme on peut le voir ci-dessous, son avancée va créer des ouvertures ponctuelles : c’est ce qu’on appelle des yeux de réplication.
Formation de deux chromatides par réplication de l’ADN.
À retenir
L’ADN polymérase va alors utiliser des nucléotides libres et les apparier sur les brins originaux, toujours en respectant l’association A ↔ T et C ↔ G.
On appelle l’ADN créé la molécule fille, et celui servant de matrice la molécule mère.
Comme nous pouvons le voir sur le schéma ci-dessus : la molécule mère est en bleu, et l’ADN synthétisé (la molécule fille) est en rose et bleu.
Puisque la complémentarité des bases ne permet qu’une possibilité par base, le brin synthétisé sur un brin original (en rose en haut sur le schéma) est identique à l’autre brin original (en rose en bas sur le schéma), et inversement.
- La molécule d’ADN s’est donc dédoublée : cela forme la seconde chromatide et l’information est ainsi conservée.
À retenir
Les deux chromatides du chromosome ainsi formé ont donc chacune un brin de la molécule mère et un brin de la molécule fille. C’est pour cela que la réplication est dite semi-conservative.
La notion de clone
La notion de clone
La succession de mitoses, que subit une cellule en division, produit un ensemble de cellules génétiquement identiques, ce sont des clones.
Définition
Clone :
Un clone est un organisme qui a exactement le même ADN qu’un autre organisme.
Clonage
Clonage
- Le clonage existe spontanément dans la nature.
- C’est par exemple le mode de reproduction privilégié des bactéries et des êtres unicellulaires.
Cette méthode est rapide et peu coûteuse en énergie. Cela permet donc aux bactéries de coloniser un espace en très peu de temps. - Chez les végétaux, le clonage spontané est repris par les jardiniers et les industries agroalimentaires pour plus de productivité ou sélection d’un caractère (c’est le principe de la technique du bouturage par exemple).
- Le clonage existe aussi chez quelques animaux comme l’hydre.
- Le clonage est aussi une technique qui peut être utilisée en laboratoire pour obtenir deux êtres vivants (cellules, embryons, plantes, animaux…) strictement identiques sur le plan génétique.
La PCR
La PCR
La réaction de polymérisation en chaîne ou PCR (Polymerase Chain Reaction en anglais) est une technique de biologie permettant la réplication d’une séquence d’ADN, afin de l’amplifier. Cette méthode a été mise au point en 1985 par Kary Mullis, qui obtint pour ces travaux le prix Nobel de chimie en 1993.
Exemple
En cancérologie, la PCR est utilisée pour détecter des mutations responsables d’un type de cancer. Cette technique a ainsi permis d’identifier que les mutations dans le gène BRCA1 prédisposaient aux cancers du sein et de l’ovaire.
Pour obtenir la réplication d’un ADN double brin, il faut agir en trois étapes constituant un cycle de PCR, comme le montre le schéma ci-dessous.
- Il faut dénaturer l’ADN pour obtenir des matrices à simple brin : c’est la dénaturation.
- Il faut ensuite borner et amorcer la réplication de la séquence à amplifier à l’aide d’amorces spécifiques : c’est l’hybridation.
- Enfin, il faut réaliser la réaction de polymérisation du brin complémentaire avec des ADN polymérases thermorésistantes. À la fin de chaque cycle, les produits sont sous forme d’ADN à double brin : c’est la polymérisation.
- Le cycle se répète ensuite, ce qui permet d’augmenter considérablement la quantité d’ADN. Une PCR est faite d’environ $20$ à $40$ cycles.
Cycle de PCR
Les trois étapes, sont effectuées dans un thermocycleur : cet appareil permet de contrôler la température adéquate des ADN polymérases thermorésistantes à chaque étape.
Conclusion :
Lors de l’interphase, la cellule subit une phase de réplication : le chromosome à $1$ chromatide possède désormais $2$ chromatides identiques.
Pour ce faire, l’ADN doit être répliqué au moyen de l’ADN polymérase qui, en ouvrant la double hélice, la code en deux nouvelles hélices identiques. C’est pourquoi cette réplication de l’ADN est dite semi-conservative.
Les deux cellules filles obtenues sont donc des clones de la cellule mère.