La réplication de l’ADN

La réplication de l’ADN

L’ADN support de l’information génétique : une longue histoire scientifique

• Des paradigmes différents ou comment une découverte change notre vision du monde et fait avancer la science

En philosophie, un paradigme désigne l'ensemble des éléments qui forment un champ d'interprétation d'une réalité à un moment donné. Ce terme a été souvent employé par le philosophe et historien des sciences américain Thomas Kuhn (1922-1996) qui, dans son livre "La structure des révolutions scientifiques", définit un paradigme scientifique comme :

• Un ensemble d'observations et de faits avérés,

• un ensemble de questions en relation avec le sujet qui se posent et doivent être résolues,

• des indications méthodologiques (comment ces questions doivent être posées),

• comment les résultats de la recherche scientifique doivent être interprétés.

Plus largement le paradigme constitue un modèle cohérent de représentation du monde et d'interprétation de la réalité largement accepté dans un domaine particulier. C'est une manière de voir les choses qui repose sur une base définie, sur un modèle théorique ou sur un courant de pensée... Il permet de le comprendre et d'essayer

G. Mendel pose les bases mathématiques de la transmission des caractères

héréditaires A partir d’expériences sur le croisement de plantes (petits pois), Johann Gregor Mendel jette les bases de la génétique moderne. Il comprend qu’un caractère héréditaire peut exister sous différentes versions (allèles), les unes dominantes, les autres récessives. Il en déduit les notions d’homo- et

d’hétérozygotie et énonce les lois ("lois de Mendel") de la transmission de certains traits héréditaires. Ses résultats ont été ignorés pendant près de 30 ans.

C’est grâce à la qualité exceptionnelle des clichés par diffraction aux rayons X pris par cette spécialiste de la cristallographie que Watson et Crick eurent le déclic qui changea la face de la biologie moderne et qu’ils élucidèrentenfin la structure en double hélice de la molécule.

Dans cette phase, les chercheurs pensent que les gènes (qui portent l’information génétique) sont des protéines non encore découvertes. Quant aux acides nucléiques, ils sont considérés comme des molécules peu

importantes, non responsables de l’hérédité, leur rôle étant purement métabolique (ils fournissent de l’énergie à la cellule).

Cette phase commence par les travaux de Miescher en 1869 avec l’isolement de la nucléine et se prolonge jusqu’à la fin des années 1940.

Les recherches portent exclusivement sur la

structuration des nucléotides et la place correcte des liaisons chimiques entre les bases azotées, le sucre et l’acide phosphorique.

Le point de divergence entre les chercheurs concerne le nombre de nucléotides entrant dans la structure

régulière et monotone de l’acide nucléique qui

comprend un enchaînement répétitif des quatre bases azotées.

En 1940, le modèle tétra nucléotidique, proposé initialement par Levene (1909), est réfuté par d’autres chercheurs qui identifient expérimentalement des enchaînements polynucléotidiques.

Griffith Avery :

https://babel.cegep-ste-

foy.qc.ca/profs/gbourbonnais/pascal/nya/genetique/notesadn/Griffith.swf

Puis une approche génétique : bien que la structure moléculaire de l’ADN soit encore ignorée dans ses détails, on assiste à une prise de conscience de son rôle génétique, avec la preuve expérimentale que les caractères héréditaires sont transmissibles d’une bactérie à une autre par des molécules d’ADN, et un changement de paradigme s’opère :

« L’ADN : facteur transformant », énoncé par Avery en 1944.

Il coïncide avec l’idée d’un gène comme une information codée, un message codé, avancée à la même époque par Schrödinger (1944) dans son ouvrage Qu’est-ce que la vie ? : « La fibre chromosomique contient, chiffré dans une sorte de code miniature, tout le devenir d’un organisme, de son développement, de son fonctionnement ».

Au même moment l’absence de protéines dans les préparations est attestée et l’ADN est identifié dans les chromosomes, ce qui

impliquait que les gènes étaient faits d’ADN.

C’est sous ce paradigme naissant que Chargaff, en 1949, découvre que le pourcentage de

chacune des quatre bases azotées (A, T, C et G) diffère selon les espèces, tout en étant identique dans chaque organe d’un même individu ; ceci évoqua pour Watson « une caractéristique en rapport avec l’hérédité ». Les chercheurs commencent alors à penser que le code génétique est susceptible d’être porté par des différences de quantité entre chaque base.

La cristallographie par diffraction des rayons X qui permet de radiographier les molécules, d’en obtenir le squelette atomique et ainsi d’en déduire la forme générale (l’architecture), est appliquée à l’étude de l’ADN. Elle va permettre de fournir des éléments d’informations précieux à M. Wilkins et R. Franklin ainsi qu’à L. Pauling et M. Perutz.

En 1953 Watson et Crick publient leur article élucidant la structure de l’ADN, grâce aux travaux de M.

Wilkins et R. Franklin. (Doc. 1 page 42)

Le mystère de la photo 51

R. Franklin utilise la technique de diffraction par rayons X sur des cristaux d’ADN, elle obtient, entre autres, la célèbre photo 51

Grâce à elle, elle détermine la structure 3D de la molécule en double hélice et ses dimensions.

Ces travaux seront utilisés, sans sa permission par Watson et Crick pour réaliser leur modélisation de la molécule qui leur vaudra le prix Nobel en 1953. R. Franklin n’est pas citée dans la publication, elle ne recevra pas prix Nobel car elle est décédée.

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Sachant qu’un noyau humain contient 46 chromosomes, et qu’un chromosome est constitué d’un ADN de 6 cm en moyenne, on a donc 46x6 = 276 cm soit 2 mètres 76.

La longueur mise bout à bout de toutes les molécules d’une cellule est égale à 2m76 cm

Longueur totale des molécules d’ADN x le nombre de cellules dans un être humain en Km = 2,76 10

x 60 000 000 000000 = 1, 656 10

km.

La longueur totale des molécules d’ADN en kilomètres d’un être humain est de 1, 656 10

Km

1, 656 10

/ 150 000 000 = 1104 UA La distance totale de toutes les molécules d’ADN d’un corps humain mises bout à bout représente 1104 UA ! (UA = distance terre soleil)

De l’importance de la condensation de l’ADN ! Doc pages 42/43

Exercice 3 page 59

Ils suggèrent que la duplication s’effectue par réplication semi conservative mais ce sont Meselson et Stahl qui le démontreront en 1958. (TP)

1. Les expériences historiques de Meselson et Stahl (

&

a) 3 hypothèses : (Doc.b Page 44)

La molécule mère (2 brins) ou une autre molécule,

entièrement copiée, (2 brins) sont transmises

intégralement aux cellules filles :

Conservation de la molécule d’origine

Chaque brin de la molécule

« mère » est copié, ce sont 2 molécules « hybrides »

constituées d’un brin « mère » et d’un brin « fils » qui sont transmises aux cellules filles.

1 seul brin de la molécule d’origine est conservé

Chaque brin est copié de façon morcelé, ce sont 2 molécules hybrides constituées de fragment d’ADN « mère » et d’ADN « fils » qui sont transmises aux cellules filles Des fragments dispersés de la molécule « mère » sont

conservés.

M. & S. utilise de l’azote (N) qui sera intégré à l’ADN lors de sa synthèse (phase S) dans la constitution des bases azotées : de l’N dit léger ¹⁴N et son isotope dit lourd ¹⁵N

b) Les résultats de l’expérience de Meselson et Stahl (&doc 2 page 45)

Interprétation :

- après plusieurs cycles dans ¹⁵N,

d= 1,724 à 100% de l’ADN est constitué de 100% d’¹⁵N (tout l’N constituant l’ADN est ¹⁵N) - après 1 cycle de division (1 phase S) dans ¹⁴N,

d= 1,717 à 100% de l’ADN contient 50% de ¹⁴N et 50% de ¹⁵N (Tout l’ADN est hybride et contient autant d’¹⁴N que d’¹⁵N)

- après 2 cycles de division (2 phases S)

d=1,710 à 50% de l’ADN contient 100% d’¹⁴N (1/2 de l’ADN n’est constitué que d’¹⁴N)

d=1,717 à 50% de l’ADN est hybride et contient 50% d’¹⁴N et 50% ¹⁵N (1/2 de l’ADN est hybride)

Les résultats de la première génération nous permettent d’éliminer l’hypothèse conservative, sinon nous aurions obtenu50% d’ADN 15N et 50% d’ADN 14N (50% d= 1,724 et 50% d=1,710)

Les résultats de la génération 2 nous permettent d’éliminer l’hypothèse dispersive, sinon nous aurions obtenu 100% d’ADN hybride mais avec plus de 14N (d < 1,717)

YD’autres expériences notamment de marquage radioactif viendront confirmer ces résultats : la duplication de l’ADN en phase S s’effectue par une réplication semi conservative de l’ADN

2. Le mécanisme de la réplication (Doc pages 46, 47)

Nous avons vu qu’au cours de la phase S, on pouvait observer des évènements au niveau de la chromatine : les nucléofilaments semblaient se « dédoubler » (Doc. 1 page 46)

La molécule d’ADN se déroule, s’ouvre, les 2 brins se séparent et chaque brin est recopié en plaçant devant chaque nucléotide le nucléotide complémentaire (A-T, C-G).

La réplication est réalisée par un complexe enzymatique : l’ADN polymérase (qui « polymérise » l’ADN) G

Nucléotides présents dans le noyau

ADN polymérase

ADN néoformé

ADN « mère » Déplacement de l’ADN polymérase

Doc 3 page 47

Chromatine :

nucléofilament (ADN + protéines)

Brins « mère »

Brins « fils »

ADN : 2 brins

Plusieurs complexes enzymatiques agissent en même temps, puis les fragments répliqués se « soudent » sauf au niveau du centromère où la réplication est tardive : les 2 chromatides (2 molécules d’ADN jumelles issues de la réplication semi conservative) restent liées.

Ce n’est qu’à la fin de la métaphase que l’achèvement de la réplication au niveau du centromère permettra la séparation des chromatides (Anaphase)

Doc. 2 page 47

Exercice 1 page 58 Exercice 4 page 59

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= 2 brins d’ADN répliqués

= 1 ADN répliqué

Brin «mère »

Brin « fils »

BILAN :

Les 2 chromatides portent exactement la même séquence. Ainsi les 2 chromatides distribuent aux futures cellules filles la même information génétique : la mitose est bien une division conforme qui assure une transmission fidèle de l’information génétique grâce à

- la duplication par réplication semi conservative de l’ADN en phase S qui double la quantité d’ADN en réalisant 2 copies fidèles de chaque molécule (

à

-

Ainsi, chaque cellule fille contient

- La même quantité d’ ADN (X2 puis /2)

- Le même caryotype : une chromatide de chaque chromosome

- Le même ADN : chaque chromatide est une copie fidèle du chromosome à une chromatide de la cellule mère.

1 chromatide 1 chromatide

ADN polymérase

Cependant des erreurs de réplication peuvent intervenir, un système de correction permet de vérifier la qualité de la copie des ADN, malgré cela, des erreurs peuvent intervenir et être transmises aux cellules filles : c’est une mutation !

On peut se demander quelles en seront les conséquences ?

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Des systèmes de correction permettent d’éliminer la majorité des erreurs de réplication :

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