ADN

Réplication de l’ADN
L’ ADN des différents êtres vivants
L’ADN est la molécule universelle de l ’hérédité chromosomique :
Même type de structure soit 2 brins chez tous les êtres vivants :
( animal, plante, bactérie, ou virus ) à l’exception de certains virus.
Différences d’une espèce à l’autre :
• Le nombre de molécules d’ADN: 1 seule chez les virus ou
E.Coli plusieurs dans une cellule végétale ou animale.
• Leur longueur : quelques milliers ou plusieurs milliards de paires de bases (pdb)
• Leur forme : linéaire ou circulaire.
• Leur localisation : ADN séparé ou non du cytoplasme par
une membrane circulaire.
• La séquence des base : responsable des messages.
Les Virus
Ils possèdent les acides nucléiques les plus courts.
Virus à ADN : quelques milliers à plusieurs dizaines de milliers
de pdb
Virus à ARN
Les Procaryotes : E.Coli
•
L‘ADN n’est pas situé dans le noyau, il se trouve dans le
cytoplasme où il constitue l’unique chromosome.
•
Forme circulaire ( continuité de la chaîne ).
•
Longueur mille fois plus grande que les virus. E.Coli : 4.106 pdb
•
On trouve parfois des plasmides : ce sont des petits morceaux
d’ADN circulaires indépendant de l’ADN principal (chromosome).
Les Eucaryotes
L’ADN est situé dans le noyau.
Chaque chromosome contient une longue molécule d’ADN repliée.
On trouve 3.109 pdb dans l’ADN des 46 chromosomes humains.
Il est associé à des protéines ( histones ) pour former la chromatine.
De L’ADN à la chromatine
Dans l'espèce humaine, la molécule d'ADN a une longueur totale de 3.109 paires de
bases et son déroulement représenterait une longueur de 1 m.
Comme l'ADN est contenu dans le noyau, une énorme compaction s'impose. Cette
compaction se fait selon un système hiérarchisé allant du NUCLEOSOME à la CHROMATINE.
La M.E. montre que la fibre d'ADN est constituée de petites boules de 100 Å ou
nucléosomes reliées entre elles par un fil de 20 Å (structure en chapelet).
Le nucléosome est formé d'HISTONES et de la molécule d'ADN, le tout formant la
fibre de 1100 Å .
Il existe plusieurs types d’histones :
l'histone H1, la moins fortement liée à la chromatine, enlevée facilement à l'aide
d'une solution saline,
- H2A et H2B, histones dites "riches en lysine",
- H3 et H4, histones dites "riches en arginine". Elles se retrouvent strictement à
travers les espèces.
Dans le nucléosome, l'ADN est enroulé en hélice gauche sur la surface d'un octamère
d'histone en forme de disque.
L'octamère est constitué :
- d'un tétramère (H32 - H42)
- de deux dimères (H2A - H2B).
Les quatre histones qui constituent le nucléosome sont de petites protéines
monomériques, de structures très voisines.
De l’ADN à la chromatine et aux chromosomes
Formation de la chromatine
2H3+2H4
6,6nm
+
2(H2A+H2B)
ME
De la chromatine aux chromosomes
La chromatine est située dans le noyau des cellules eucaryotes. Elle
est formée d’HETEROCHROMATINE très compacte, représentant la
fraction inactive. II s'agit d'une variété d'ADN non transcrite, de masse
moléculaire faible, se séparant de l'ensemble de l'ADN en
ultracentrifugation. Quant à l'EUCHROMATINE ou chromatine claire,
elle correspond à la fraction active.
La chromatine n'est pas vraiment définie par sa nature
biochimique mais par sa capacité de fixer certains colorants C'est
surtout un complexe de protéines et d'ADN disposé en double hélice.
La chromatine équivaut en fait aux chromosomes. On admet que
les chromosomes existent en permanence mais on ne peut pas toujours
les déceler par des méthodes cytologiques :
Les images cytologiques seront obtenues pendant la métaphase. Les
chromosomes n'auront donc d'existence physique que pendant la
division cellulaire.
Compaction maximale
Mitose et Méiose
Différentes formes topologiques de l’ADN
Les différents niveaux de structure
Structure primaire (séquence en AA)
Protéines
Structure secondaire (hélice a ou feuillet plissé ß)
Structure tertiaire (repliement)
Structure primaire (séquence nucléotidique)
ADN
Structure secondaire (double hélice)
Structure tertiaire (super-enroulement)
Exemple : combiné téléphonique
enroulement
super-enroulement
Cas de l’ADN
Topo-isomérase
Topo-isomérase
ADN super-enroulé
ADN relaché
Association ADN + protéine (histones) = chromatine
La compaction
Chromosome en métaphase
1400 nm
700 nm
300 nm
30 nm
11 nm
2nm
ADN
Structure en boucle
Définition moléculaire du gène: unité fonctionnelle de l’information génétique
“ Génos ” qui donne naissance
5’
3’
Gène A
mRNA
Gène B
Gène C
tRNA
rRNA
Protéines
Génome = ensemble des gènes d ’un organisme
Localisation : chromosomes = ADN taille variable
organisme
virus
Virus du polyome
Bactéries
E. coli
Eucaryotes
Homme
Organisation des gènes
Virus = particules infectieuses
Paires de base
(en millier ou kb)
Longueur (µm)
5, 1
1,7
4700
1760
2 900 000
990 000
- acide nucléique (DNA ou RNA)
- capside protéique
- enveloppe
3’
5’
Génome bactérien
ADN extrachromosomique
= plasmides
ADN chromosomique
= ADN db circulaire
Gènes de résistance
(4700 kb, 1,7 mm)
Vecteur de gènes
2 µm
Génome eucaryote
ADN linéaire : longueur dans une cellule humaine ± 2m
Chez l ’homme : 46 chromosomes
Compactage +++
Les chromosomes
télomères
Petit
bras
«p»
chromatides
centromère
Long
bras
«q»
télomères
Caryotype humain
Séquences uniques codantes = gènes de structure (protéines, ARN)
chromosome
Séquences régulatrices
Séquences répétitives : - DNA satellite non codants :centromère
- séquences des télomères
Gènes morcelés
Ex: gène de l ’ovalbumine
3’
5’
A
1
B
2
Introns (80%)
C
3
D
4
E
5 F6
G
Exons mis à bouts lors de la transcription
Autre ex : gène du collagène de type I (>50 introns)
7
5’
3’
n=23
méiose Cellules germinales
= gamètes
mâle
n=23
Cellules haploides
femelle
fécondation
2n=46
Cellule diploide
Transmission de l ’ADN = caractères génétiques d ’un individu
Transmission d ’une altération de l ’ADN = pathologies moléculaires (mucoviscidose,
drépanocytose, myopathies …)
Flux de l ’information génétique
ARN t
Effets biologiques
Gènes = ADN
transcription
ARN m
traduction
protéines
-développement
-différenciation
-métabolisme ...
réplication
Régulation : activation
ou répression
ADN et ARN = commandent la vie cellulaire
Altération de l ’ADN ou ARN
protéine défectueuse
Protéines = effecteurs
situation pathologique (ex. cancer)
Structure de l’ADN:
• Composé de 4 types de nucléotides
reliés pour former une chaine
polynucléotidique (un brin d’ADN)
avec un squelette sucre-phosphate
a partir duquel s’étendent les bases
(Adénine, Thymine, Cytosine et
Guanine).
• Une molécule d’ADN est composée
de 2 brins d’ADN reliés par des
liaisons hydrogène: 2 entre A et T, 3
entre C et G.
• Les têtes de flèches indiquent la
polarité des 2 brins, sens de
lecture: 5’ vers 3’.
• Les brins sont antiparallèles: la
polarité d’un des brins est orientée
à l’opposé de celle de l’autre brin.
• Conséquence: chaque brin contient
une séquence complémentaire de
l’autre.
Les oses des acides nucléiques
Le D-ribose
Ose en C5
5’ CH OH
2
4’
OH
O
1’
3’
2’
OH
OH
Le D-désoxyribose
5’ CH2OH
OH
O
1’
4’
3’
OH
2’
H
ADN = Acide désoxyribonucléique
ARN = Acide ribonucléique
Acide nucléique (noyau) = polymères de nucléotides
Nucléotide = base azotée + sucre (pentose) + acide phosphorique
nucléoside
Bases
Purine
Pyrimidine
Bases puriques
Adénine (A)
Bases pyrimidiques
Guanine (G)
Thymine (T)
(ADN)
Cytosine (C)
Uracile (U)
(ARN)
La liaison acide phosphorique
H3PO4
Ose
OH
O
P
OH
HOH2C
OH
Liaison ester
H2O
La liaison H3PO4
Ose
L’assemblage s’appelle:
Base
Nucléotide
O
BASE
Enchaînement de plusieurs nucléotides
5’
P
O
On lit une chaîne
d’acide nucléique
Dans le sens
5’P vers 3’OH
OH
OH2C
O
Base 1
OH
HHO
OH
O
P
OH2C
O
Base 2
OH
O
3’
P
OH
HHO
OH2C
O
OH
HO
Si 1 = Adénine 2 = Cytosine
3 = Guanine
ACG
Base n
Complémentarité :
Assurée par deux paires de bases
H
A
T
NH
O
CH3
N
N
HN
2 liaisons hydrogène
N
H
O
N
N
H
H
G
O
NH
3 liaisons hydrogène
N
NH
N
H
C
N
N
NH
H
O
N
H
5’
O
3’
OH
O
O
P
O
Base
O
CH2
O
O
-
P
-
O
O
O
O
P
O
O
Base
O
CH2
O
O
-
P
O
-
O
O
O
P
O
O
Base
O
CH2
O
3’
Brin 1
Brin opposé 2
OH
O
P
O
O
5’
La Réplication
• Synthèse de plusieurs molécules d’ADN a
partir d’une molécule parentale initiale afin de
transmettre à la descendance une information
génétique conforme
• La réplication est une réaction rapide:
– Bactéries: ~1000 pdb/sec
– Cellules humaines: ~100 pdb/sec
Réplication de L’ADN
Cellules filles : même
patrimoine génétique
Cellule mère
Réplication selon un mode semi-conservateur (Meselson et Stahl 1957)
15NH4Cl
ADN avec 15N = ADN“lourd”
E.coli
ADN parental
E.coli
14NH4Cl
Molécules filles à la
première génération
ADN “lourd” 15N
ADN avec 14N
ADN hybride
ADN “léger”
Molécules filles à la
deuxième génération
ADN hybride
• L’expérience de Meselson et Stahl a montré
que la Réplication est semi-conservative:
La molécule mère donne un de ses brins à chaque
molécule fille, qui est complétée par une chaine
nouvellement synthétisée
Chez les Procaryotes
Origine de réplication (microscopie électronique: Cairns 1962)
Œil de
réplication
Mécanisme biochimique de la réaction d ’élongation
(ADN)n résidus + d NTP
(ADN )n+1 résidus + PPi
- dNTP (désoxy nucléoside triphosphate): d ATP, d CTP, d GTP, d TTP, précurseurs des nucléotides
-Mg 2+
- ADN polymérase (III)
- Amorce (ARN)
- Chaîne matrice
Mécanisme de la réplication (chez les procaryotes)
Où débute la réplication ? Dans quel sens ?
origine
Fourche de réplication
bidirectionnelle
Fourche de réplication
3’
origine
5’
Brin directeur
Ecriture de 5’ vers 3’
hélicase
5’
Direction du mouvement de
la fourche de réplication
3’
5’
3’
3’
2
DNA ligase
1
3
5’
Fragments d ’Okazaki
Brin retardé
La synthèse est continue sur le brin avancé et discontinue sur le
brin retardé
La réplication chez les eucaryotes
Identique : bidirectionnelle, sens 5 ’
3 ’, discontinue pour l ’un des brins, avec amorce
Différence : multiples points d ’initiation ou origines de réplication
Points d ’initiation
2n
G2
M
G1
Synthèse d’ADN
S
4n
2n