Lesson Explainer: Réplication de l’ADN Biologie • Third Year of Secondary School

Dans cette fiche explicative, nous apprendrons comment décrire le processus de réplication d’ADN semi-conservateur, y compris le rôle de différentes enzymes, et comment les erreurs commises lors de la réplication d’ADN peuvent être corrigées.

L’une des caractéristiques essentielles de tout organisme vivant est sa capacité à se développer et à se reproduire. Ces deux processus impliquent, au niveau cellulaire, une simple division cellulaire, c’est-à-dire la scission d’une cellule en deux. Nous savons que chaque cellule vivante porte du matériel génétique sous forme d’ADN (acide désoxyribonucléique). Le matériel génétique contrôle toutes les caractéristiques d’une cellule vivante, de sa taille et son apparence aux fonctions qu’elle remplit.

Par conséquent, lorsqu’une cellule se divise en deux, chaque nouvelle cellule doit contenir une copie de l’ADN dans son noyau pour qu’elle puisse fonctionner correctement. Par exemple, lorsqu’une cellule hépatique se divise en deux nouvelles cellules hépatiques, chaque nouvelle cellule doit recevoir une copie de l’ADN de la cellule d’origine, afin qu’elle puisse remplir son rôle de soutien des fonctions naturelles du foie.

La réplication de l’ADN est le processus par lequel une cellule en division génère une copie de son ADN. Comme nous le savons, chez les eucaryotes, une molécule d’ADN réside dans le noyau et est constituée de deux brins individuels qui s’enroulent l’un autour de l’autre pour former une forme d’« échelle torsadée » appelée double hélice, comme nous pouvons le voir en figure 1. Le processus de réplication de l’ADN se déroule dans le noyau de la cellule et est contrôlé par un ensemble d’enzymes, chacune remplissant une fonction spécifique. Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre comment la réplication de l’ADN a lieu ainsi que le rôle joué par chacune des enzymes impliquées.

Avant d’en apprendre davantage sur la réplication de l’ADN, passons rapidement en revue la structure de base d’une molécule d’ADN.

Comme nous l’avons mentionné précédemment, une molécule d’ADN contient deux brins enroulés l’un autour de l’autre. Ces deux brins sont des chaînes polynucléotidiques, composées d’unités répétées plus petites appelées nucléotides. Comme on peut le voir en figure 1, chaque nucléotide est constitué de trois composants : un pentose (un type de sucre), un groupe phosphate et une base azotée. Chaque nucléotide est lié au suivant par des liaisons covalentes appelées liaisons phosphodiester.

Les deux chaînes polynucléotidiques se connectent l’une à l’autre par l’appariement des bases azotées qui se font face à l’intérieur de l’hélice. Dans l’ADN, il existe quatre types de bases azotées : l’adénine (A), la guanine (G), la thymine (T) et la cytosine (C).

Lorsque les bases azotées d’un brin s’apparient aux bases azotées du brin opposé, elles suivent certaines règles d’appariement des bases. Dans une molécule d’ADN, l’adénine ne peut se lier qu’à la thymine sur le brin opposé, et la guanine ne peut se lier qu’à la cytosine. Cette règle est appelée l’« appariement des bases complémentaires » et est l’une des principales caractéristiques de l’ADN. L’adénine se lie à la thymine par deux liaisons hydrogène, tandis que la guanine se lie à la cytosine par trois liaisons hydrogène, comme le montre la figure 2.

Une autre caractéristique importante de l’ADN est sa nature antiparallèle. Chaque brin d’ADN possède deux extrémités : une extrémité est appelée l’extrémité , et l’autre est appelée l’extrémité . Ces noms leur sont donnés d’après les derniers atomes de carbone à chaque extrémité du brin. Les deux brins sont antiparallèles, car un brin va dans le sens vers , tandis que l’autre va dans le sens vers , comme représenté en figure 3.

L’atome de carbone en de chaque nucléotide est lié à un groupe hydroxyle ( ). L’extrémité d’un brin d’ADN se termine donc par un groupe hydroxyle, comme vous pouvez le voir en figure 3. L’atome de carbone en de chaque nucléotide est lié à un groupe phosphate. L’extrémité d’un brin d’ADN se termine donc par un groupe phosphate, représenté par les cercles jaunes sur la figure 3.

Une molécule d’ADN porte l’information génétique sous la forme d’un code génétique, formé par la séquence des bases azotées. Un type d’ARN appelé ARN messager ou ARNm est synthétisé d’après la séquence d’ADN. Cette séquence code les informations nécessaires à la synthèse des protéines, qui ensuite contrôlent les fonctions et les caractéristiques de la cellule.

Alors, comment ce code génétique est-il lu ? Quand on lit du texte, on lit toujours de gauche à droite. De même, lorsqu’une cellule « lit » la séquence des bases azotées pour interpréter le code génétique, elle lit depuis l’extrémité du brin d’ADN vers l’extrémité .

En 1953, lorsque James Watson et Francis Crick ont proposé le modèle d’ADN à double hélice que nous connaissons aujourd’hui, ils ont également fait une observation intéressante sur la réplication de l’ADN. Leur modèle était basé sur la spécificité des paires de bases des deux brins de la molécule d’ADN. Ils ont compris que les deux brins portent des variantes complémentaires de la même séquence. Grâce à cette caractéristique, les deux brins d’ADN d’une molécule peuvent être utilisés comme modèles pour synthétiser des brins complémentaires, créant ainsi deux nouvelles doubles hélices avec la même information ! La séquence des bases azotées de chaque brin est utilisée comme guide pour l’ajout des nouvelles bases complémentaires nécessaires pour le nouveau brin.

Chez les eucaryotes, qui sont des organismes à noyau organisé, l’ADN dans le noyau est sous la forme de structures linéaires très enroulées appelées chromosomes. Chaque chromosome contient une molécule d’ADN et, au sein de chaque molécule, la réplication commence en plusieurs endroits.

Chez les procaryotes, en revanche, le matériel génétique est présent sous la forme d’une molécule circulaire d’ADN au centre de la cellule, mais n’est pas entouré d’une membrane nucléaire. Dans ce cas, la réplication commence en un point, appelé l’origine de réplication.

Maintenant que nous avons fait un bref récapitulatif de la structure d’une molécule d’ADN, intéressons-nous au mécanisme de la réplication de l’ADN. Ce processus est contrôlé par trois principales enzymes. Passons en revue les étapes de ce processus, et apprenons-en davantage sur chacune de ces enzymes.

Pour que les deux brins d’une molécule d’ADN soient utilisés pour fabriquer deux nouvelles molécules d’ADN dans le noyau, les deux brins doivent se dérouler et se séparer, rendant leurs bases azotées accessibles. Nous savons que les brins sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre leurs bases azotées. Pour que les brins se séparent, ces liaisons hydrogène doivent être rompues. Ceci est accompli grâce à une enzyme appelée l’ADN hélicase.

La figure 4 montre comment les brins d’ADN se séparent sous l’action de l’ADN hélicase. Lorsque les liaisons hydrogène entre les deux brins sont rompues, une « fourche de réplication » est formée, ainsi nommée car les deux brins d’ADN déroulés ont un aspect de fourche. La fourche de réplication est le point où la molécule d’ADN se déroule en deux brins distincts. Vous pouvez imaginer l’ADN hélicase « ouvrant » la molécule d’ADN, en commençant à la fourche de réplication.

Une fois les brins déroulés, de nouveaux brins d’ADN complémentaires à chacun des brins d’origine peuvent être synthétisés. C’est là qu’une enzyme appelée ADN polymérase entre en jeu. Le mot « polymérase » est utilisé pour décrire une enzyme qui lie des petites unités individuelles (dans le cas de l’ADN, les nucléotides) pour former une longue chaîne répétitive ou polymère (un brin d’ADN). Comme nous l’avons appris, une molécule d’ADN est un polymère constitué de plusieurs unités individuelles appelées nucléotides.

L’ADN polymérase génère un nouveau brin d’ADN le long de chaque brin original en ajoutant des nucléotides au nouveau brin, en veillant à ce que les règles d’appariement complémentaire des bases, que nous avons vues précédemment, soient respectées. Pour construire le nouveau brin d’ADN, l’ADN polymérase utilise un pool de nucléotides libres qui restent disponibles dans la cellule. La figure 5 représente un schéma simplifié de l’action de l’ADN polymérase.

L’ADN polymérase est très efficace ; elle synthétise des brins complémentaires très rapidement et avec une grande précision. Une autre caractéristique importante de cette enzyme est qu’elle ne peut synthétiser un nouveau brin d’ADN que dans le sens à . Cette caractéristique pose problème dans une cellule en division. Vous vous demandez peut-être comment ! Regardons une fourche de réplication d’un brin d’ADN. Comme nous le savons, les deux brins d’ADN sont antiparallèles l’un à l’autre. Comme vous pouvez le voir en figure 6, le brin en haut de l’image a une extrémité disponible, tandis que le brin en bas a une extrémité disponible.

Lorsque de nouveaux brins d’ADN sont synthétisés, ils doivent également être antiparallèles à leur brin complémentaire d’origine. Bien que les deux nouveaux brins soient synthétisés simultanément, considérons d’abord la formation d’un nouveau brin le long du brin en haut de la figure, sachant que l’ADN polymérase ne peut synthétiser un nouveau brin que dans le sens vers . Dans ce cas, un nouveau brin est capable de se former en continu, sans aucune interruption ni rupture.

Considérons maintenant le brin en bas. Lorsque la molécule d’ADN se déroule, l’ADN polymérase rencontre l’extrémité de ce brin. Cela nécessiterait la synthèse d’un nouveau brin complémentaire dans le sens à , ce que l’ADN polymérase ne peut pas faire ! 

L’ADN polymérase contourne ce problème en se déplaçant le long du brin, comme indiqué sur la figure, et en synthétisant un petit fragment du nouvel ADN dans le sens à , vers l’extrémité ouverte de la fourche de réplication. Elle se déplace ensuite le long de ce fragment, et fait de même, synthétisant un autre petit fragment. Au fur et à mesure que l’enzyme progresse le long du brin, un brin complémentaire discontinu commence à prendre forme. Vous pouvez voir comment cela se produit en figure 8.

Ces fragments sont appelés des fragments Okazaki. Si vous regardez maintenant la molécule d’ADN, vous pouvez voir que le long d’un brin matrice, un nouveau brin est formé en continu, dans la même direction que la fourche qui s’ouvre, sans coupures. Ce brin modèle est donc appelé « brin précoce ». Le brin matrice opposé est appelé « brin retardé » ou « brin tardif », car le nouveau brin d’ADN y est synthétisé de manière discontinue en fragments.

Une autre enzyme, l’ADN ligase, est responsable de la jonction de ces fragments le long du brin retardé. Comme vous pouvez le voir dans la figure 9, l’ADN ligase se déplace le long du brin fragmenté, joignant ou « ligaturant » les fragments ensemble en formant de nouvelles liaisons phosphodiester entre un fragment et le suivant.

Exemple 2: Comprendre le rôle de l’ADN ligase

Dans la réplication semi-conservative de l’ADN, quel est le rôle principal de l’ADN ligase ? 

1. L’ADN ligase ajoute des nucléotides à une chaîne d’ADN en développement pour synthétiser un brin d’ADN complémentaire au brin matrice.
2. L’ADN ligase joint les fragments formés sur un brin complémentaire lors de la réplication.
3. L’ADN ligase catalyse la rupture des liaisons phosphodiester du squelette sucre-phosphate, de sorte que l’ADN peut être divisé en fragments prêts à être répliqués.
4. L’ADN ligase rompt les liaisons hydrogène entre les paires de bases, séparant les deux brins d’ADN, qui alors sont prêts pour la réplication.
5. L’ADN ligase relie les amorces d’ARN à l’extrémité d’un seul brin d’ADN pour indiquer où la réplication doit commencer.

Réponse

Lorsqu’une molécule d’ADN se réplique, elle se déroule afin de séparer ses deux brins. Le long de chacun de ces brins, un nouveau brin d’ADN est synthétisé par l’ADN polymérase selon les règles de l’appariement complémentaire des bases.

Nous savons que chaque brin d’ADN a une extrémité et une extrémité et que les deux brins d’une molécule d’ADN doivent toujours être antiparallèles, c’est-à-dire dans des sens opposés, l’un à l’autre. Lors de la synthèse d’un nouveau brin d’ADN, l’ADN polymérase est uniquement capable d’ajouter des nucléotides dans le sens à .

En raison de cette caractéristique de l’ADN polymérase, les deux brins d’ADN dans la molécule sont répliqués en utilisant deux méthodes différentes. Le long du « brin précoce », dont l’extrémité se trouve au niveau de l’ouverture de la fourche de réplication, l’ADN polymérase peut synthétiser un brin d’ADN complémentaire continu, ininterrompu. Le long du « brin retardé », dont l’extrémité est à l’ouverture de la fourche de réplication, l’ADN polymérase doit synthétiser à la place des fragments courts d’ADN dans le sens vers , comme illustré sur la figure.

Les fragments formés le long du brin retardé sont appelés des fragments d’Okazaki. Pour que ces fragments soient fonctionnels, ils doivent être reliés ensemble pour former un long brin continu d’ADN nouvellement synthétisé. Cette fonction est accomplie par une ADN ligase, qui relie les squelettes sucre-phosphate des fragments adjacents par des liaisons phosphodiester.

Regardons maintenant les options proposées dans la question. La phrase qui correspond le mieux aux informations que nous avons maintenant sur l’ADN ligase est « l’ADN ligase joint les fragments formés sur un brin complémentaire lors de la réplication ». C’est donc la bonne réponse.

Nous avons maintenant passé en revue les rôles des trois enzymes importantes impliquées dans la réplication de l’ADN et avons compris le mécanisme de ce processus. La figure 10 est un aperçu simplifié de la manière dont tout le processus se déroule et du résultat de ce processus.

Regardons de plus près chacune des nouvelles molécules d’ADN sur le côté droit de la figure 10. Vous remarquerez peut-être que chaque nouvelle molécule d’ADN contient un brin d’origine et un brin nouvellement synthétisé. En raison de cette caractéristique, le processus de réplication de l’ADN est appelé « réplication semi-conservative » : les brins plus anciens de l’ADN sont conservés lors de la réplication de la molécule d’ADN.

Plus tôt dans cette fiche explicative, nous avons parlé du code génétique formé par la séquence des bases azotées le long d’un brin d’ARNm, qui est synthétisé à partir d’ADN. Lorsqu’une cellule « lit » la séquence, elle peut interpréter cette information pour produire des protéines spécifiques, qui ensuite contrôlent les caractéristiques de l’organisme. Les segments d’ADN portant des séquences de bases codant pour des protéines spécifiques sont appelés des gènes, un mot que vous avez peut-être déjà entendu.

Bien que le processus de réplication de l’ADN soit précis et très efficace, il n’est pas complètement exempt d’erreurs. Que se passerait-il si, lors de la réplication de l’ADN, l’ADN polymérase faisait une erreur lors de l’ajout d’un nouveau nucléotide au nouveau brin ? À un moment donné, au lieu d’ajouter un nucléotide complémentaire selon les règles d’appariement des bases, que se passerait-il si une base azotée différente était accidentellement ajoutée ? Pouvez-vous penser à ce que cela signifierait ? 

Sur le brin d’ADN nouvellement synthétisé, ce point spécifique du brin changerait le code génétique. C’est un peu comme une faute d’orthographe dans une phrase. Ces erreurs, appelées mutations, peuvent parfois avoir des conséquences graves. Considérons un exemple simple. Rappelez-vous de l’hémoglobine, la molécule qui transporte l’oxygène dans le sang. Si le gène qui code pour l’hémoglobine est muté, la protéine d’hémoglobine sera produite de manière incorrecte. Cela peut entraîner une maladie appelée la drépanocytose, qui altère la forme des globules rouges dans le corps.

Afin d’éviter de telles erreurs lors de la réplication de l’ADN, l’ADN polymérase remplit une autre fonction cruciale. Lorsqu’elle ajoute des nucléotides au nouveau brin en croissance, elle « relit », ou vérifie, aussi son propre travail. Ainsi, si un mauvais nucléotide a été accidentellement ajouté, l’ADN polymérase identifiera l’erreur et échangera ce mauvais nucléotide contre le bon ! Elle le fait grâce à son activité exonucléasique, ce qui signifie qu’elle élimine les nucléotides incorrects et les remplace par les bons. Vous pouvez en voir un exemple en figure 11.

Comme nous l’avons appris plus tôt, l’ADN ligase est une enzyme qui relie des fragments d’ADN en formant de nouvelles liaisons phosphodiester, reliant les fragments. Lorsque l’ADN est physiquement endommagé, causant des cassures dans les brins, l’ADN ligase peut servir d’enzyme de réparation de l’ADN. Elle utilise le brin complémentaire de la double hélice d’ADN comme matrice pour former de nouvelles liaisons phosphodiester.

La réparation de l’ADN dépend donc de la présence de deux brins portant l’information génétique. Lorsqu’un brin est endommagé, les informations intactes sur le brin complémentaire peuvent être utilisées par les enzymes de réparation de l’ADN pour remplacer les segments endommagés. C’est pourquoi il est si important que la réplication de l’ADN soit un processus précis et sans erreur ! 

Résumons maintenant les points clés de cette fiche explicative.