Cours écrit : La réplication de l'ADN

L’ADN est une molécule constituée de deux brins antiparallèles (parallèles mais en sens opposé) et enroulés en double hélice.

Chaque brin d’ADN est un polymère, c'est-à-dire composé d’un long enchaînement de monomères identiques, les nucléotides. 

Un nucléotide est formé par l’association de trois types de molécules différentes: un groupement phosphate, une base azotée et un sucre, le désoxyribose. Il existe quatre bases azotées différentes et chaque nucléotide est caractérisé par sa base azotée; il y a donc quatre nucléotides différents :

L’association des nucléotides entre les deux brins d’ADN respecte une règle de complémentarité : un nucléotide à Adénine s’associe toujours à un nucléotide à Thymine et un nucléotide à Cytosine s’associe toujours à un nucléotide à Guanine. Cette association est possible grâce des liaisons hydrogènes entre les bases azotées (3 liaisons entre C et G et 2 liaisons entre A et T).  

Lors de la réplication dans le noyau de la cellule (phase S de l’interphase), la molécule d’ADN double brin va s’ouvrir sous l’action d’enzymes. L'hélicase sépare les 2 brins d'ADN en rompant les liaisons hydrogène. La Topo-isomérase casse l'enroulement  que les molécules d'ADN libérées ont tendance à faire. L'ADN polymérase se fixe sur le brin d'ADN, le lit et le recopie. L'ADN est lu dans un sens précis. Les deux brins étant antiparallèle, un brin sera lu par une ADN polymérase de manière continue et l'autre brin sera lu et recopié de manière discontinue (morceaux par morceaux) au fur et à mesure que l'hélicase ouvre la molécule bicaténaire. Ces différents fragments (morceaux) d’ADN appelés fragment d'Okazaki seront alors reliés par une enzyme appelée ADN-ligase.

 Quand l’ensemble de la molécule aura été copiée, le brin néoformé restera accroché à son brin parental.

On parle alors de réplication semi-conservative car la nouvelle molécule d’ADN formée conserve seulement un brin parental sur les deux. Ainsi une molécule d’ADN donne 2 molécules d’ADN identiques qui se condenseront pour donner deux chromatides identiques reliées par le centromère. 

Deux autres modèles avaient été émis mais ont été invalidés par l'expérience de Meselson et Stahl : le modèle conservatif ( les brins parentaux restent ensemble et les brins néoformés s'associent ensemble) et l'hypothèse dispersive où l'ADN parental et l'ADN néoformé se fragmentent en petits morceaux et se ré-associent au hasard.

La longueur totale d’une molécule d’ADN dans un chromosome est de l’ordre de 50 mm. La longueur totale d’une molécule d’ADN dans une cellule est de l’ordre de 2 m. Ainsi la longueur totale d’une molécule d’ADN dans une cellule est 105 fois plus importante que le diamètre de la cellule. Enfin la longueur totale de tous les ADN, mis bout à bout, des 75 000 milliards de cellules qui constituent un homme de 75 kg est de l’ordre d’une centaine de millions de Km.

Durant la phase S, lors de la réplication, un complexe enzymatique, l’ADN polymérase, sépare localement les brins de la double hélice d’ADN simultanément en plusieurs points de la molécule. L’existence de plusieurs origines de réplication permet à la réplication d’une molécule de se faire assez rapidement malgré la lenteur de la polymérisation. Les zones où les deux brins parentaux sont séparés et où la réplication a lieu s’appellent des yeux de réplication.

La vitesse élevée de la réplication permet de former des chromosomes doubles plus rapidement. Cela permet à la cellule de faire une succession de mitoses qui produit un ensemble de cellules, toutes génétiquement identiques que l’on appelle un clone. 

Le principe de l’électrophorèse: l’ADN est chargé négativement par les groupements phosphates. Dans une cuve à électrophorèse, on place un gel d’agarose, les solutions d’ADN amplifié sont déposées du côté de la cathode (pôle négatif – noir). L’ADN migre en fonction de son poids moléculaire : plus le fragment d’ADN est long plus il va migrer lentement vers l’anode (pôle positif + rouge), à l’inverse un fragment plus court se déplacera plus rapidement. Ils n’arriveront donc pas au même niveau.