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La réplication de l'ADN

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Introduction :

La cellule suit un enchaînement d’étapes que l’on appelle le cycle cellulaire. Ce cycle commence par une phase de croissance cellulaire avant de passer à l’étape de réplication de l’ADN. La cellule se prépare ensuite à la division cellulaire qui comprend quatre phases : la prophase, la métaphase, l’anaphase et la télophase.

Ce cours permettra un rappel sur la structure de la molécule d’ADN. Les résultats d’une expérience réalisée en 1958 par deux chercheurs, Matthew Meselson et Franklin Stahl, seront ensuite étudiés. Enfin, le mécanisme de la réplication de l’ADN sera vu.

Rappels sur la molécule d’ADN

ADN signifie Acide Désoxyribonucléique. Il représente le support de l’information génétique. Il est porté par le chromosome. Un brin d’ADN est constitué de nucléotides attachés entre eux. Il existe 4 nucléotides différents qui sont :

  • L’adénine représentée par la lettre A ;
  • La cytosine représentée par la lettre C ;
  • La guanine représentée par la lettre G ;
  • Et la thymine représentée par la lettre T.

L’ordre d’enchaînement de ces quatre nucléotides définit l’information génétique.

ADN et chromosome ADN et chromosome

Une molécule d’ADN est composée de deux brins enroulés en double hélice. Les nucléotides sont complémentaires deux à deux, si bien qu’une adénine interagit uniquement avec une thymine et une cytosine interagit uniquement avec une guanine.

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Définition

Paire de base :

L’appariement de deux nucléotides placés sur des brins d’ADN distincts s’appelle une paire de base. On parle de complémentarité des brins.

La molécule d’ADN enroulée en double hélice forme un chromosome à une chromatide. À certaines phases du cycle cellulaire, les chromosomes sont à deux chromatides identiques. Il y a eu réplication de l’ADN.

Bien que les nucléotides soient très petits, une molécule d’ADN peut avoir une taille conséquente. Par exemple, chez l’espèce humaine, le chromosome 1 qui est le plus grand, comprend 220 millions de paires de bases et mesure 7 centimètres en linéaire, c’est-à-dire si l’on déplie la molécule d’ADN.

  • Il ne faut pas oublier que ce chromosome se trouve dans chaque cellule du corps.

L’expérience de M. Meselson et F. Stahl

En 1958, deux chercheurs, Matthew Meselson et Franklin Stahl s’interrogent sur la réplication de l’ADN lors de la phase S du cycle cellulaire. Ils cherchent à savoir si la réplication est :

  • ​Conservative : à partir d’une molécule d’ADN « mère » à deux brins est une nouvelle molécule d’ADN néoformée.

Réplication conservative de l’ADN Réplication conservative de l’ADN

  • ​Semi-conservative : les deux brins de la molécule d’ADN « mère » se séparent et pour chacun de ces deux brins, un nouveau brin est synthétisé.

Réplication semi-conservative de l’ADN Réplication semi-conservative de l’ADN

  • Dispersive : les deux brins de la molécule « mère » se séparent et se disloquent et les quatre brins des deux molécules d’ADN obtenues après réplication sont constitués à la fois d’ADN « mère » et à la fois d’ADN néoformé.

Réplication dispersive de l’ADN Réplication dispersive de l’ADN

Les chercheurs émettent donc trois hypothèses à leur expérience dont le protocole est détaillé ci-dessous.

Des bactéries sont mises en culture sur un milieu enrichi en azote lourd appelé azote 15 (15N) qui va s’incorporer dans l’ADN de la bactérie. Après plusieurs cycles cellulaires, les chercheurs sont certains que les bactéries ont intégré l’azote 15 dans tout leur ADN. Ces bactéries sont alors transférées dans un milieu qui ne contient plus d’azote 15 mais qui est enrichi en azote 14 (14N), qui est plus léger. Des bactéries sont prélevées après un cycle cellulaire, d’autres après deux cycles cellulaires et les dernières après trois cycles cellulaires. Après extraction de l’ADN et centrifugation, l’ADN est extrait des bactéries. On peut alors évaluer :

  • La proportion d’ADN « lourd », c’est-à-dire qui contient uniquement de l’azote 15 ;
  • La proportion d’ADN « hybride », qui contient en partie de l’azote 15 et en partie de l’azote 14 ;
  • La proportion d’ADN « léger » qui contient uniquement de l’azote 14.

L’expérience de M. Meselson et F. Stahl L’expérience de M. Meselson et F. Stahl

Comme dans toute expérience scientifique, deux témoins sont réalisés :

  • Une colonie de bactéries cultivées sur un milieu enrichi en azote 15 ;
  • Une colonie de bactéries cultivées sur un milieu enrichi en azote 14.

En fonction des hypothèses, on peut prédire les résultats.

Si la réplication de l’ADN est conservative, on aura après un cycle cellulaire la moitié des molécules d’ADN « lourdes » et l’autre moitié « légères ».

Molécules d’ADN lourdes et légères Molécules d’ADN lourdes et légères

Si la réplication est dispersive, on obtiendra uniquement des molécules d’ADN hybride c’est-à-dire formées de fragments « lourds » et de fragments « légers », quelque soit le nombre de cycles cellulaires.

Molécules d’ADN hybride avec réplication dispersive Molécules d’ADN hybride avec réplication dispersive

Si la réplication est semi-conservative, après un cycle cellulaire, on obtiendra uniquement de l’ADN de poids intermédiaire. Au bout de deux cycles cellulaires, on doit obtenir 50 % d’ADN hybride et 50 % d’ADN léger.

Molécules d’ADN hybride avec réplication semi-conservative Molécules d’ADN hybride avec réplication semi-conservative

Les résultats de l’expérience sont les suivants :

Résultats de l’expérience Résultats de l’expérience

On peut voir que pour les bactéries témoins cultivées dans un milieu enrichi en azote léger, 100 % de l’ADN est léger. De même pour les bactéries cultivées dans un milieu enrichi en azote lourd, 100 % de l’ADN est lourd.

Au niveau de l’expérience :

  • Après un cycle cellulaire, 100 % de l’ADN est hybride ;
  • Au bout de deux cycles cellulaires, 50 % de l’ADN est hybride et 50% est léger ;
  • Et au bout de 3 cycles cellulaires, 75 % de l’ADN est léger et 25 % est hybride.
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À retenir

Ces résultats rejettent les hypothèses de la réplication conservative et dispersive et confirment l’hypothèse disant que la réplication est semi-conservative.

Le mécanisme de réplication de l’ADN

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À retenir

Le cycle cellulaire comprend 4 phases. On peut voir sur ce graphique que la quantité d’ADN dans la cellule n’est pas homogène pendant le cycle cellulaire. Lors de la phase S, la réplication de l’ADN a lieu.

Quantité d’ADN dans la cellule au cours du cycle cellulaire Quantité d’ADN dans la cellule au cours du cycle cellulaire

La molécule d’ADN va alors s’ouvrir, c’est-à-dire que les deux brins vont se séparer. On appelle cette ouverture un œil de réplication. Dans la cellule, on trouve des nucléotides libres. Ces nucléotides sont apportés par l’alimentation. Comme ils sont libres, ils vont pouvoir se positionner en face de leur paire afin de former un nouveau brin d’ADN par complémentarité des bases.

Il y a plusieurs yeux de réplication qui opèrent en même temps. Ils vont se déplacer sur la molécule d’ADN et former ainsi un chromosome à deux chromatides identiques, chacune étant constituée d’un brin « mère » et d’un brin synthétisé. C’est la réplication semi-conservative.

Réplication semi-conservative Réplication semi-conservative

Conclusion :

La vie d’une cellule suit un enchaînement d’étapes que l’on appelle le cycle cellulaire. Ce cycle permet à une cellule mère qui contient une chromatide de donner deux cellules filles identiques qui contiennent chacune une chromatide. La réplication de l’ADN a lieu lors de la phase S du cycle cellulaire. Cette réplication est semi-conservative, c’est-à-dire que les deux brins de la molécule d’ADN « mère » se séparent et pour chacun de ces deux brins, un nouveau brin est synthétisé.

C’est grâce à la réplication semi-conservative de l’ADN que l’information génétique est conservée lors de la division cellulaire. L’information génétique est donc stable au cours du temps.