Réplication de l ADN

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1 Réplication de l ADN

2 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.

3 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 : pdb n trouve parfois des plasmides : ce sont des petits morceaux d ADN circulaires indépendant de l ADN principal (chromosome).

4 Les Eucaryotes L ADN est situé dans le noyau. Chaque chromosome contient une longue molécule d ADN repliée. n trouve pdb dans l ADN des 46 chromosomes humains. Il est associé à des protéines ( histones ) pour former la chromatine.

5 De L ADN à la chromatine Dans l'espèce humaine, la molécule d'adn a une longueur totale de 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 NUCLESME à la CHRMATINE. 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'histnes et de la molécule d'adn, le tout formant la fibre de 1100 Å.

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7 Il existe plusieurs types d histones : l'histone H 1, la moins fortement liée à la chromatine, enlevée facilement à l'aide d'une solution saline, - H 2 A et H 2 B, histones dites "riches en lysine", - H 3 et H 4, 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 (H H 4 2) - de deux dimères (H 2 A - H 2 B). Les quatre histones qui constituent le nucléosome sont de petites protéines monomériques, de structures très voisines.

8 De l ADN à la chromatine et aux chromosomes Formation de la chromatine 2H 3 +2H 4 + 2(H 2 A+H 2 B) 6,6nm ME

9 De la chromatine aux chromosomes La chromatine est située dans le noyau des cellules eucaryotes. Elle est formée d HETERCHRMATINE 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'euchrmatine 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. n 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. Mitose et Méiose Compaction maximale

10 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 super-enroulement enroulement Cas de l ADN Topo-isomérase Topo-isomérase ADN relaché ADN super-enroulé Association ADN + protéine (histones) = chromatine

11 La compaction 1400 nm Chromosome en métaphase 700 nm 300 nm 30 nm Structure en boucle 11 nm 2nm ADN

12 Définition moléculaire du gène: unité fonctionnelle de l information génétique Génos qui donne naissance 5 3 Gène A Gène B Gène C 3 5 mrna trna rrna Protéines Génome = ensemble des gènes d un organisme Localisation : chromosomes = ADN taille variable organisme Paires de base (en millier ou kb) virus Virus du polyome 5, 1 1,7 Bactéries E. coli Eucaryotes Homme Longueur (µm) rganisation des gènes Virus = particules infectieuses - acide nucléique (DNA ou RNA) - capside protéique - enveloppe

13 Génome bactérien ADN extrachromosomique ADN chromosomique = ADN db circulaire (4700 kb, 1,7 mm) 2 µm = plasmides Gènes de résistance Vecteur de gènes Génome eucaryote ADN linéaire : longueur dans une cellule humaine ± 2m Compactage +++ Chez l homme : 46 chromosomes

14 Les chromosomes Petit bras «p» télomères 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 C 3 D 4 E 5 F 6 G Introns (80%) Exons mis à bouts lors de la transcription Autre ex : gène du collagène de type I (>50 introns)

15 méiose Cellules germinales = gamètes n=23 mâle n=23 femelle fécondation Cellules haploides 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 Gènes = ADN ARN m protéines transcription traduction réplication ARN t Régulation : activation ou répression ADN et ARN = commandent la vie cellulaire Protéines = effecteurs Effets biologiques -développement -différenciation -métabolisme... Altération de l ADN ou ARN protéine défectueuse situation pathologique (ex. cancer)

16 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.

17 Les oses des acides nucléiques Le D-ribose se en C5 5 CH 2 H H H H Le D-désoxyribose 5 CH 2 H H 1 H H

18 ADN = Acide désoxyribonucléique ARN = Acide ribonucléique Acide nucléique (noyau) = polymères de nucléotides Nucléotide = base azotée + sucre (pentose) + acide phosphorique Bases nucléoside Purine Bases puriques Pyrimidine Bases pyrimidiques Adénine (A) Guanine (G) Thymine (T) (ADN) Cytosine (C) Uracile (U) (ARN)

19 La liaison acide phosphorique H 3 P 4 se H P H H HH 2 C BASE Liaison ester H 2 La liaison H 3 P 4 se Base L assemblage s appelle: Nucléotide

20 Enchaînement de plusieurs nucléotides n lit une chaîne d acide nucléique Dans le sens 5 P vers 3 H 5 P P H H H H H 2 C H 2 C H H Base 1 Base 2 P H H H H 2 C Base n 3 H H Si 1 = Adénine 2 = Cytosine 3 = Guanine ACG

21 Complémentarité : Assurée par deux paires de bases A H NH T N N HN CH 3 2 liaisons hydrogène N H N N H G N NH N H NH C 3 liaisons hydrogène N H N NH H N H

22 5 - H 3 P Base CH 2 P - - P Base CH 2 P - - P 3 H Base CH 2 Brin 1 Brin opposé 2 P 5

23 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

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25 Réplication de L ADN Cellules filles : même patrimoine génétique Cellule mère Réplication selon un mode semi-conservateur (Meselson et Stahl 1957) 15 NH4Cl E.coli ADN avec 15 N = ADN lourd ADN parental ADN lourd 15 N E.coli 14 NH4Cl ADN avec 14 N Molécules filles à la première génération ADN hybride Molécules filles à la deuxième génération ADN léger ADN hybride

26 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

27 Chez les Procaryotes rigine de réplication (microscopie électronique: Cairns 1962) Œil de réplication

28 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

29 Mécanisme de la réplication (chez les procaryotes) ù débute la réplication? Dans quel sens? origine Fourche de réplication bidirectionnelle Fourche de réplication 3 5 origine Brin directeur Ecriture de 5 vers 3 hélicase Direction du mouvement de la fourche de réplication DNA ligase Brin retardé Fragments d kazaki

30 La synthèse est continue sur le brin avancé et discontinue sur le brin retardé

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32 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 Synthèse d ADN 4n S G1 2n

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