La réplication de l'ADN (classe de 1ère. spé SVT)

Semaine 2 (suite)

L'existence et la structure de l'ADN ne sont pas connu depuis plus d'un siècle. Au début du XXème siècle, on sait qu'il existe une substance appelée "nucléotine" située dans le noyau et qui est riche en azote. Très rapidement, on va découvrir que cette "nucléotine" est constituée de 4 bases azotées, la guanine, la cytosine, l'adénine et la thymine. 

Les 4 bases azotées de la "nucléotine"

 

Alors qu'on commence à connaître la composition chimique de l'ADN (acide désoxyribonucléique), on ignore toujours quel peut être son rôle. Vers 1925, on pense que ce sont les protéines qui assurent l'hérédité. Ce sont Griffith en 1928 puis Avery et McLeod en 1941 qui, par des expériences de "transformation bactérienne", vont permettre de comprendre que le matériel héréditaire est bien l'ADN

Les expériences de Griffith

 Petite vidéo sur les expériences de "transformation bactérienne" 

 La transformation de bactéries non virulentes en bactéries virulentes grâce à l'injection d'ADN de bactéries virulentes démontrent que les caractéristiques génétique sont portées par l'ADN. A partir des années 1940, la connaissance de l'ADN s'affine. Le chimiste Erwin Chargaff découvre en 1949, qu'une molécule d'ADN possède autant d'adénine que de thymine et de cytosine que de guanine. Les nucléotides vont donc par paire.

Les "règles" de Chargaff

En 1950, on sait qu'une molécule d'ADN contient 4 bases azotées, du désoxyribose (sucre), et du phosphate mais on ne sait pas comment tout cela est organisée. C'est Rosalind Franklin qui, en 1952, fait une avancée décisive en réalisant des clichées de la molécule par diffraction aux rayons X. Elle démontre ainsi que la structure de l'ADN est hélicoïdale.

Le cliché 51 de Rosalind Franklin qui montre la structure en hélice de l'ADN

 

C'est à partir de ce cliché et des connaissances sur la composition de la molécule d'ADN que James Watson et Francis Crick propose une structure pour l'ADN en 1953. Elle leur vaudra le prix Nobel en 1962

Modèle original de Watson et Crick pour la molécule d'ADN exposé au musée de Berlin

 

La structure de l'ADN est donc une double hélice constituée de nucléotides (1 base azotée + une molécule de désoxyribose + un phosphate). Les barreaux de la double hélice sont constitués par une association de deux bases azotées, adénine + thymine et guanine + cytosine.

Structure de l'ADN

 

Dans un chromosome, l'ADN s'enroule autour de protéines appelées histones sous la forme d'un "collier de perle". Cette structure se complexifie par enroulement successif pour donner un chromosome

De l'ADN au chromosome

 

Petits calculs (à faire)

Une cellule humaine en interphase peut se représenter sous la forme d'une microsphère de 50 µm de diamètre. Le noyau occupe environ 10% de ce volume  et renferme 46 chromosomes monochromatidiens. Si on prend un chromosome de taille moyenne, on estime qu'il contient 235 millions de pb (paires de bases) distantes de 0,34 nm. Estimez la longueur du chromosome et donnez votre résultats dans une unité cohérente (pas en kilomètre !).

On estime qu'un être humain est composé de 30 000 milliards de cellules. dont 84% d'hématies sans noyau. Les 23 chromosomes différents de l'espèce humaine réunissent 3 milliards de pb. A partir de l'ensemble des informations, estimez la longueur moyenne de tout l'ADN présent dans l'organisme d'un humain. Comparez à la taille d'une cellule.

Nous avons vu qu'avant toute division cellulaire (mitose ou méiose), il y a doublement de la quantité d'ADN produite par le phénomène de réplication de l'ADN. Dès la découverte de la structure de l'ADN, les scientifiques s'intéressèrent à ce phénomène. Plusieurs modèles furent proposés.

Les hypothèses concernant la réplication de l'ADN

 

Même si l'hypothèse dite semi-conservative est privilégiée dès le début, encore faut-il prouver que c'est le bon mécanisme. Il faudra attendre 1958 pour que Matthew Meselson et Franklin Stahl établissent un protocole permettant de vérifier l'hypothèse.

Expérience de Meselson et Stahl

Les résultats

 

Une petite vidéo sur l'expérience de Meselson et Stahl pas mal faite même si la dame est un peu gnangnan

 Exercice

 *Pour la première question, on prendra une vitesse de réplication de 1000 pb par seconde chez les bactéries.

L'exercice vous a montré que dans le cas de grands chromosomes humains, il faut admettre que la réplication commence à plusieurs endroits en même temps. Ces lieux d'initiation de la réplication s'appelle des"yeux de réplication".

Photographie des yeux de réplication d'une molécule d'ADN

 

Schéma d'un œil de réplication

 

Semaine 3

Petit essai de TP à la maison

Rôle de l'ADN-polymérase

Vous venez de voir que la réplication de l'ADN se fait au niveau des yeux de réplication. Seulement s'il n'y avait que l'ADN, la réplication ne pourrait pas avoir lieu. Il faut un système de démarrage. C'est ce qu'on appelle un catalyseur. En biochimie, les catalyseurs sont les enzymes. Nous entrerons un peu dans le détail dans le chapitre 6. En attendant, nous allons nous intéresser à l'ADN-polymérase, l'enzyme qui catalyse la réplication. Pour ce faire nous allons travailler sur le site libmol.org.

Fiche technique de libmol.org

 

Quand vous êtes dans le site, tapez ADN dans "Rechercher dans la librairie de molécules". Vous avez 24 réponses. 

Entrez d'abord, ADN 14 paires de bases. Allez dans séquence. Vous devez voir apparaitre la série de nucléotides de chaque chaîne. Recopiez là dans votre classeur en réunissant les deux nucléotides complémentaires par un trait. On a la représentation classique d'un fragment d'une molécule d'ADN.

Dans fichier, entrez maintenant "ADN-polymérase". Vous devez voir une sorte de boulgi-boulga qui ne vous évoque pas grand chose. Dans "commande", sélectionnez ADN/ARN puis représentez en sphères. Normalement tout devrait s'éclairer. Vous devriez bien visualiser la double hélice d'ADN et l'enzyme globulaire qui l'entoure. Sélectionnez protéines et représentez en rubans. Ce ruban représente la chaine d'acides aminés qui constitue la protéine enzymatique. Dans séquence, regardez A (la dernière à droite). Chaque acide aminés est symbolisé par ses 3 premières lettres (lys = lysine, ala = alanine). De combien d'acides aminés est constituée l'ADN polymérase ? (vous ne comptez pas le Na et les HOH)

Dans fichier, entrez maintenant "ADN-polymérase du bactériophage T2 en cours de réplication". Pour votre information, un bactériophage est un virus qui parasite les bactéries. Dans commande, sélectionnez ADN/ARN puis représentez en sphère. Décrivez en une phrase ce que vous voyez. Si vous inversez (ADN en boules et protéines en sphères et bâtonnets) qu'est ce qui apparait nettement ?

La PCR

La PCR (Polymerase Chain Reaction) a été mise au point en 1985 par Kary Mullis. Cette technique utilise la réplication de l'ADN pour amplifier le nombre de chaines et pouvoir l'analyser plus facilement et plus précisément. C'est cette technique qui est à la base des tests de dépistage du Covid19.

Afin de comprendre ce qu'est cette technique allez sur le site suivant : 

https://www.pedagogie.ac-aix-marseille.fr/jcms/c_10595381/fr/video-enrichie-sur-le-principe-de-la-pcr?hlText=pcr

Utilisez la première vidéo qui est simple. Cette animation s'arrête deux fois. Vous devez répondre aux questions puis vérifier vos réponses. Les questions sont simples, elles ne visent qu'à voir si vous avez bien suivi le déroulement de la technique.