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Les mécanismes de réplication de l'ADN

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Objectifs
  • Comprendre que le mécanisme de réplication de l’ADN se fait par un moyen semi-conservatif.
  • Comprendre le rôle de l’ADN polymérase.
Points clés
  • Les expériences historiques (Watson et Crick, Taylor ainsi que Meselson et Stahl).
  • Les cellules filles possèdent la même information génétique ce qui en fait des clones.
  • La réplication d’ADN en copie conforme n'est possible qu’avec l’ADN polymérase (ouverture de la molécule d’ADN, appariement des nucléotides et correction).
Pour bien comprendre
  • État de compaction de l’ADN : chromosome, chromatide, chromatine
  • Complémentarité des nucléotides (A/T et C/G)
  • Structure de l’ADN
  • Le cycle cellulaire : interphase (G1, S, G2)
1. Un mécanisme semi-conservatif
a. Place de la réplication au cours de la vie cellulaire

La réplication ou duplication de l'ADN s'effectue pendant la phase S de l'interphase (S comme synthèse). Durant cette phase, l’ADN est décondensé. On le retrouve sous forme de chromatine.

Une observation des chromatides en microscopie électronique (grossissement 100 000) montre l'existence de zones appelées « yeux de réplication » où la molécule d'ADN est localement en deux exemplaires. Chaque œil correspond à deux fourches de réplication qui progressent en sens inverse. Les différents « yeux » finissent par se rejoindre, permettant la duplication complète de la molécule d'ADN initiale. Les deux copies restent accrochées l'une à l'autre au niveau de la zone qui formera le centromère du chromosome.


Œil de réplication
b. Détails du processus de réplication

Avant la découverte du mode de réplication de l’ADN dans les années 50, les chercheurs ont émis trois hypothèses pour expliquer ce phénomène :

  • Hypothèse 1 : réplication semi-conservative. Séparation des deux brins de l’ADN, puis chaque brins sert de brin matrice pour former un brin complémentaire. On retrouve dans les cellules filles un brin “mère” et un brin “fille”.
  • Hypothèse 2 : réplication conservative. Formation d’une copie conforme des deux brins de l’ADN. On retrouve dans les cellules filles soit la copie “mère”, soit la copie “fille”.
  • Hypothèse 3 : réplication dispersive. Fragmentation des molécules d’ADN de manière dispersée.

Il faudra attendre les années 50 pour déterminer quel modèle est valide. Dès 1953, Watson et Crick, les découvreurs de l'architecture de la molécule d'ADN, proposèrent un modèle semi-conservatif de la réplication.

Les expériences de Taylor chez les eucaryotes en 1957 (observation de la croissance de racines de Jacinthe romaines avec de la Thymine radioactive et non radioactive, observation des chromosomes par autoradiographie montre une réplication semi-conservative) et de Meselson et Stahl chez les procaryotes (observation de la différence de densité liée à l’incorporation de 14N sur des cultures d’E. coli contenant dans son ADN du 15N au cours de différents cycles cellulaire) en 1958 ont contribué à valider l’hypothèse de la réplication semi-conservative.

L'interprétation de ces expériences est la suivante : lors de la réplication, une molécule mère d'ADN en donne deux. Ces deux molécules filles d'ADN sont formées d'un brin matrice issu de la molécule de départ et d'un brin néoformé (ou nouvellement synthétisé) provenant de l'assemblage de nucléotides initialement libres dans le milieu cellulaire. Dans chacune des deux molécules d'ADN obtenues, la moitié de la molécule de départ est conservée, c'est pourquoi le mécanisme de réplication est qualifié de semi-conservatif.

2. Rôle de l'ADN polymérase

Lors de la réplication de l’ADN, les deux brins complémentaires se détachent l’un de l’autre. Au fur et à mesure de l'écartement des deux brins de la molécule d'ADN, des nucléotides libres s'apparient avec ceux du brin matrice par complémentarité.

Ces processus d'ouverture de la double hélice et d'appariement des nucléotides dépendent d'un complexe enzymatique, l'ADN polymérase. Son rôle est d’incorporer les nucléotides complémentaires aux brins néoformés et de corriger les erreurs d’appariements. L'adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène. La cytosine se lie à la guanine par trois liaisons hydrogène.


Appariement des nucléotides

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