Bloc 2 : le gène
Les bases moléculaires
de l'hérédité
10.1 Les bases moléculaires de la cellule
10.2 La structure de l'ADN
10.3 Complémentarité des bases
a) Les liaisons hydrogènes
b) Les chaînes antiparallèles
10.4 La réplication de l’ADN est un
processus semi-conservateur
10.5 La réplication de l'ADN
a) Initiation
b) Élongation
c) Terminaison
1
Chapitre 10
Évolution et diversité du vivant
101-NYA-05
A2022
10.1 Les bases moléculaires de la cellule
Processus cellulaire
important
Division cellulaire!
Lieu :
le noyau
Composantes
o ADN
o Nucléotides
o Enzymes (protéines)
Quand?
Mitose ou méiose
Phase S
Brin
parental
Nouveau
brin
Utilise la complémentarité des bases azotées
© Madeleine Price Ball
2
10.1 Les bases moléculaires de la cellule
Processus cellulaire
important
Expression génique
Chapitre 11
Chez les bactéries, tout
se fait dans le
cytoplasme
Transcription
ADN
ARNm
Lieu : noyau
Objectif : produire des ARNm
Composantes
o L'ADN
o Ribonucléotides
o Enzymes (protéines)
www.khanacademy.org/science/ap-biology/ap-gene-regulation/modal/a/overview-of-eukaryotic-gene-regulation
3
10.1 Les bases moléculaires de la cellule
ADN
Réplication
Transcription
ARN
Traduction
Protéines
Dans le cytoplasme
www.khanacademy.org/science/ap-biology/ap-gene-regulation/modal/a/overview-of-eukaryotic-gene-regulation
10.1 Les bases moléculaires de la cellule
La réplication de l’ADN repose sur la
complémentarité des bases azotées.
Prises dans leur ensemble, les protéines
participant à la réplication de l’ADN forment
une machinerie complexe qui assure ce
processus essentiel avec une vitesse, une
fidélité et une perfection étonnantes.
Original
Fourche de
réplication
ADN pol.
dNTP
libres
Hélicase
Brin
discontinu
ADN pol.
La réplication nécessite plusieurs
étapes, chacune contrôlée par un
complexe de protéines distinctes.
Brin
continu
Brin
parental
Le nouveau brin est synthétisé 5’ vers 3’.
Anatomy and Physiology.
5 https://openstax.org/books/anatomy-and-physiology/pages/1-introduction
10.1 Les bases moléculaires de la cellule
La réplication de l’ADN repose sur la
complémentarité des bases azotées.
▲ Figure 16.14
(Campbell, 2020, ERPI, page 357)
6
Nucléotide par nucléotide,
Sur toute la longueur du polymère
10.2 La structure de l'ADN
Nucléotide : Monomère.
Monocaténaire (simple brin): chaîne de
nucléotides. Liaisons phosphodiesters.
L'orientation des nucléotides dans la chaîne
crée la polarité du brin.
Bicaténaire (double brin) : association de deux brins via
les bases complémentaires
Liaisons hydrogènes entre les bases azotées.
Liaisons
phosphodiester
Liaisons H
Liaisons H sont faibles, mais leur grand nombre
donne une certaine stabilité à l’ensemble.
Double hélice : structure tertiaire créée par l'angle des
liaisons chimiques entre les nucléotides.
Cette forme minimise l'exposition
des bases au milieu aqueux.
Squelette
sucrephosphate
Base azotée
dNTP
Petite histoire de la biologie moléculaire
Amélioration des
techniques en physique
Structure chimique des molécules
Les scientifiques utilisèrent les rayons X
pour produire des profils de diffractions
pour des protéines et certains
travaillèrent sur l’ADN.
Ce n’est qu’au début des années 1950
que Rosalind Franklin et Raymond
Gosling produiront des profils de qualité
suffisante pour déduire la structure
chimique de l’ADN.
Petite histoire de la biologie moléculaire
Linus Pauling décrit dans les mêmes années la
structure en hélice alpha des protéines et
propose un modèle de l’ADN composé de
trois hélices, qui s’avérera
être un mauvais modèle...
En 1953, voulant de battre de vitesse Pauling
dans la description de l’ADN, James Dewey
Watson et Francis Crick firent le lien entre les
photographies aux rayons X de Franklin et la
double hélice alpha décrite par Pauling; la
structure de l’ADN venait d’être comprise !
https://www.ted.com/talks/james_watson_on_how_he_discovered_dna
10.2 La structure de l'ADN
Les caractéristiques générales de l’ADN lui permettent d’être la base de l’information
génétique et de pouvoir être transmise de génération en génération cellulaire.
 Complémentarité des brins
 Chaînes antiparallèles
 Hélicoïdales
O
P
O-
O
5
O
H3C
O
N H
O
4
3
OH
N
1
2
Modèle
Watson et Crick
O
a. Liaisons hydrogènes
10.3 Complémentarité des bases
Relie les nucléotides des
brins complémentaires via
les bases azotées.
O 0,28nm H2N
H3C
T
N
Nécessite des groupements
fonctionnels donneurs et désoxyribose
accepteurs (liens H) .
Oblige la formation de
couples de nucléotides
complémentaires.
Crée une distance constante
entre les nucléotides, peu
importe la paire.
NH
N
0,30nm
N
N
0,29nm
NH2
N
désoxyribose
N
O
N
A
O
C
H
0,30nm
0,29nm
N
O
HN
H2N
H
N
G
N
désoxyribose
désoxyribose
Thymine : Adénine = 2 liaisons H
Cytosine : Guanine = 3 liaisons H
11
b. Chaînes antiparallèles
P
O
O
O
5
4
N
1
3
3' OH
N1
4
5
6
6
T
3N
H
2
O
2
2
5
A
4
3
N
8
9
H
N
2
1
3
5
O
Même dans les couples
compatibles, les liens H ne se
forment que si l’orientation des
nucléotides est antiparallèle.
OH
4
O
O-
O
7
3'
O
O
H3C
N
P
O
H
H N
5'
O-
10.3 Complémentarité des bases
Oblige la polarité inversée des
deux brins d’ADN
CHAÎNES ANTIPARALLÈLES
5'
10.4 La réplication de l’ADN est un processus semi-conservateur
Chaque molécule-fille hérite d’un des 2 brins de la double hélice de
départ et contient un brin complémentaire nouvellement synthétisé.
L’expérience de Meselson et Stahl a permis de confirmer cette
hypothèse : synthèse d’ADN avec 15N radioactif.
Et c’est ce qui
permet
l’hérédité!
3 hypothèses de départ
Réplication
conservative
Réplication
semi-conservative
Réplication
dispersive
Voir ▲ Figure 16.10
https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-2-molecular-biology/27-dna-replication-transcri/semi-conservative.html
13
10.5 La réplication de l'ADN
DNA Structure and Replication: Crash Course
https://youtu.be/8kK2zwjRV0M
A. INITIATION DE LA RÉPLICATION
 Origine de réplication (ORI)
 Ouverture et séparation des brins
Original
 Maintenir les brins sous la forme monocaténaire
 Diminuer la tension créée par l’ouverture de la double hélice
B. SYNTHÈSE D’UN NOUVEAU BRIN À PARTIR D’UNE MATRICE
 Création d’une amorce pour débuter la réplication
Fourche de
réplication
dNTP
libres
 Polymérisation d’un deuxième brin
 Remplacement de l’amorce
 Liaison des fragments d’ADN
ADN pol.
Hélicase
Brin
discontinu
C. TERMINAISON DE LA RÉPLICATION
ADN pol.
 Extrémités des chromosomes linéaires
Brin
continu
 Séparation des chromosomes circulaires
Brin
parental
Animation interactive qui vous permet de voir les
différentes étapes (en anglais)
https://www.labxchange.org/library/items/lb:LabXchange:a2
1a9b48:lx_simulation:1
14
Anatomy and Physiology. https://openstax.org/books/anatomy-andphysiology/pages/1-introduction
10.5 La réplication de l'ADN
a. L'initiation
La synthèse de l’ADN commence au niveau de séquences spécifiques nommées les origines
de réplication (ORI).
Figure 16.12 ▶
• Procaryotes: une seule origine de réplication.
• Eucaryotes: plusieurs centaines d’origines de réplication. De 30 000 à 50 000
ORI sont activés à chaque cycle cellulaire chez les mammifères.
Campbell - Biologie (2020) ERPI. p.355.
15
10.5 La réplication de l'ADN
a. L'initiation
i. Procaryotes
Synthèse
d’amorces d’ARN
Liaison
de la
protéine
initiatrice
Amorce ARN
Hélicase
Séparation des
brins par l’hélicase
Les protéines
fixatrices d’ADN
monocaténaire
Formation de
2 fourches de
réplication
Chez Escherichia coli, la vitesse de réplication aux deux fourches de réplication est d’environ
60 kb/min, ce qui permet de répliquer complètement le génome en moins de 30 minutes...
16
10.5 La réplication de l'ADN
a. L'initiation
ii. Eucaryotes
Initiation de
la réplication
Les fourches de réplication
se déplacent dans des
directions opposées
ADN nouvellement
synthétisé
Le génome humain est ≈700 fois plus grand que celui d’E.coli, mais la vitesse aux fourches
de réplication est ≈20 fois plus lente (2-3kb/min)...
17
10.5 La réplication de l'ADN
iii. Les enzymes
ADN gyrase: enzyme qui
lie l’ADNds devant la
fourche de réplication et
réduit la tension
▲ Figure 16.13
Hélicase : enzyme en
forme d’anneau qui
entraîne la séparation
des brins en brisant les
liaisons H. Utilise l’ATP.
Campbell - Biologie (2020) ERPI. p.356.
a. L'initiation
Primase: enzyme qui commence la
réplication à l'aide de quelques
ribonucléotides …
Est-ce que les
amorces ARN
pourront demeurer
dans l'ADN répliqué?
Les protéines fixatrices
d’ADN monocaténaire
(protéines SSB): Stabilisent
les 2 brins séparés de l’ADN
matrice jusqu’à la synthèse
des nouveaux brins
complémentaires.
18
Empêchent la
formation d’épingles
par appariement de
nucléotides
complémentaires
dans le même brin
d’ADN.
10.5 La réplication de l'ADN
a. L'initiation
iii. Les enzymes
Donc, la préparation des brins d’ADN pour la réplication cause quelques problèmes...
Problème de réappariement
des nucléotides
Problème de tension
Formation
d'épingles
bloque la
réplication
SSB
L'ADN polymérase a
besoin d'un 3'-OH libre
pour fonctionner.
ADN
pol
Besoin d'une amorce
pour commencer.
Pommier (2006) Nature Reviews Cancer 6, 789-802
Albert et al. Figure 5-17. Molecular Biology of the Cell, 4th edition
19
10.5 La réplication de l'ADN
b. L'élongation
i. À partir d'un 3'-OH libre
L’ADN polymérase peut ensuite s’associer à
cette amorce d’ARN et continuer
l’élongation du nouveau brin avec des
désoxyribonucléotides (dNTP).
Ajoute des dNTP à l’extrémité 3’-OH
d’un brin déjà formé selon la
complémentarité des bases azotées.
Elle synthétise toujours un nouveau brin
complémentaire dans le sens 5’ → 3’.
Les brins étant antiparallèles, elle se déplace
donc sur le brin parental de 3’ vers 5’.
Figure 16.15 ▲
Campbell - Biologie (2020) ERPI. p.357.
20
Selon vous, comment peut-on concilier
l'ouverture des brins, la production
d’ADNsb et l’élongation 5’ vers 3’ du
nouveau brin à partir du brin parental?
10.5 La réplication de l'ADN
ii. L’élongation de la molécule d’ADN
Est-ce qu’on attend que
toute une section soit simple
brin et après on commence
la synthèse?
Est-ce qu’on réplique les 2
brins en même temps?
Est-ce que la synthèse peut
se faire en même temps que
l’hélicase fait son travail?
Est-ce que la synthèse des 2
brins peut se faire dans la
même direction que la
fourche de réplication ?
Blanche Nault
21
10.5 La réplication de l'ADN
b. L'élongation
ii. L’élongation de la molécule d’ADN
Chaque fourche de réplication voit
un brin d’ADN synthétisé en
continu et l’autre brin synthétisé
de façon discontinue.
Brin directeur
Brin discontinu
BRIN DIRECTEUR
Brin synthétisé en continu par l’ADN polymérase. Avance en même temps et dans
la même direction que la fourche de réplication. Une seule amorce.
BRIN DISCONTINU
La polymérase se déplace toujours sur le brin matrice 3' → 5‘, mais s’éloigne de la
fourche de réplication en synthétisant un court fragment d’ADN (fragments
d’Okazaki). Nécessite plusieurs amorces d’ARN.
Fragments d’Okazaki.
Procaryotes : longueur de 1000 à 2000 nucléotides
Eucaryotes : longueur de 100 à 200 nucléotides
https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/gene-expression-and-regulation/replication/a/molecular-mechanism-of-dna-replication
10.5 La réplication de l'ADN
b. L'élongation
Figure 16.17 ▲
Campbell - Biologie (2020) ERPI. p.359.
23
10.5 La réplication de l'ADN
b. L'élongation
iii. La fourche de réplication
 Action coordonnée des
polymérases sur le brin
directeur et le brin
discontinu.
 Maintenues par une
protéine de liaison
 Les polymérases peuvent
donc travailler de manière
coordonnée sur les deux
brins antiparallèles.
Une amorce d’ARN
commence un nouveau
fragment d’Okasaki.
Chez les bactéries
Hélicase
SSB
ADN
polymérase
primase
Amorce d’ARN
Protéine de liaison
La polymérase du brin
discontinu prolonge le fragment
d’Okasaki précédent.
Quand l’ADN polymérase du brin discontinu termine la synthèse du fragment
d’Okazaki précédent, elle se détache de sa matrice. Elle peut débuter la synthèse
d’un nouveau fragment rapidement.
Kelch et al. (2012) BMC Biology 10:34. https://doi.org/10.1186/1741-7007-10-34
24
10.5 La réplication de l'ADN
b. L'élongation
iv. Retrait des amorces ARN
L’amorce d’ARN doit être remplacée par des
désoxyribonucléotides.
1) Les ribonucléotides sont retirés et l'ADN
polymérase I assure l'ajout d'ADN à partir
des 3'-OH maintenant libre.
2) Une ADN ligase peut attacher ensemble
deux fragments d’ADN en reformant une
liaison entre deux nucléotides adjacents.
Campbell - Biologie (2020) ERPI. p.358.
25
Figure 16.16 ▲
10.5 La réplication de l'ADN
c) La terminaison
i. Extrémités des chromosomes linéaires
Parce que les ADN polymérases ont besoin d’une amorce, l’extrémité 3’ d’un
chromosome linéaire ne peut pas être répliquée. Lorsque la dernière amorce sur
le brin discontinu est excisée et la polymérase n’a pas de 3’OH nécessaire pour
combler le vide.
Si rien n’est fait, ceci résulte un raccourcissement progressif du chromosome à
chaque génération cellulaire.
La solution
réside dans
l’action des
télomérases
Active pendant le développement et
dans les cellules germinales
© 2009 The Nobel Committee for Physiology or Medicine / Annika Röhl (Ausschnitt)
26
10.5 La réplication de l'ADN
c) La terminaison
ii. Séparation des chromosomes circulaires
Quand la réplication d’un chromosome
circulaire est terminée, les deux molécules
filles restent liées comme deux maillons
d’une chaîne.
Cette séparation est assurée par une ADN
topoisomérase.
Ces enzymes ont la capacité de couper
l’ADNdb et de passer une deuxième molécule
d’ADNdb à travers cette coupure.
Cette réaction permet de séparer les deux
chromosomes et de rendre leur ségrégation
possible.
Campbell - Biologie (2020) ERPI. p.355.
27
Figure 16.12 ▲