La réplication de l’ADN Procaryotes cours I 2025-2026_d69a62997c4f4f6f08e99c759acb4ee0.pdf

# Définition et propriétés de la réplication de l'ADN Le sujet de la réplication de l'ADN traite de la définition de ce processus vital et des modèles qui décrivent comment les molécules d'ADN sont copiées pour assurer la transmission du matériel génétique lors de la division cellulaire [3](#page=3). ## 1. Définition et importance de la réplication de l'ADN La réplication de l'ADN est le processus fondamental par lequel une cellule mère produit deux molécules d'ADN filles identiques à sa propre molécule d'ADN parentale. Ce mécanisme est essentiel lors de la division cellulaire, garantissant que chaque cellule fille reçoit une copie complète et exacte du génome. À chaque cycle de réplication, la quantité d'ADN dans la cellule est doublée avant la division [3](#page=3). ## 2. Modèles théoriques de la réplication de l'ADN Basés sur la structure en double hélice de l'ADN proposée par Crick et Watson, plusieurs modèles ont été envisagés pour décrire le mécanisme de réplication [5](#page=5) [6](#page=6) [8](#page=8): ### 2.1 Modèle conservatif Dans ce modèle, l'ADN parental entier sert de matrice pour la synthèse d'une nouvelle molécule d'ADN, et l'ADN parental original reste intact et est transmis à une seule cellule fille, tandis que la nouvelle molécule est transmise à l'autre cellule fille [5](#page=5) [6](#page=6). ### 2.2 Modèle semi-conservatif Ce modèle postule que chaque brin de la double hélice d'ADN parental sert de matrice pour la synthèse d'un nouveau brin complémentaire. Par conséquent, chaque molécule d'ADN fille est composée d'un brin parental original et d'un brin nouvellement synthétisé [5](#page=5) [6](#page=6). ### 2.3 Modèle dispersif Selon ce modèle, les deux brins de l'ADN parental sont fragmentés, et chaque fragment est utilisé comme matrice pour la synthèse d'un nouveau segment d'ADN. La molécule d'ADN fille résultante serait alors un mélange de segments parentaux et nouvellement synthétisés [5](#page=5) [6](#page=6). > **Tip:** L'expérience de Meselson et Stahl a été cruciale pour déterminer quel modèle décrivait précisément la réplication de l'ADN chez les organismes vivants [7](#page=7). ## 3. Propriétés de la réplication de l'ADN La réplication de l'ADN possède plusieurs propriétés fondamentales qui régissent son déroulement : ### 3.1 La réplication est semi-conservative Il a été expérimentalement démontré que la réplication de l'ADN suit le modèle semi-conservatif. Chaque nouvelle molécule d'ADN double brin est constituée d'un brin hérité de la molécule parentale et d'un brin nouvellement synthétisé [5](#page=5) [6](#page=6) [7](#page=7). > **Example:** Si une molécule d'ADN parentale est constituée des brins A et B, après une réplication semi-conservative, deux molécules filles seront produites. La première molécule contiendra le brin A parental et un nouveau brin A'. La seconde molécule contiendra le brin B parental et un nouveau brin B'. ### 3.2 La réplication est bidirectionnelle Le processus de réplication de l'ADN se déroule simultanément dans deux directions à partir d'un point d'origine, appelé origine de réplication. Cela signifie que deux fourches de réplication se déplacent à l'opposé l'une de l'autre le long de la molécule d'ADN, permettant une réplication plus rapide et efficace de l'ensemble du génome [9](#page=9). --- # Initiation de la réplication chez les procaryotes L'initiation de la réplication chez les procaryotes est un processus hautement régulé qui commence par la reconnaissance d'une origine de réplication unique et la formation d'un complexe protéique essentiel au déroulement de l'ADN [11](#page=11) [15](#page=15). ### 2.1 L'origine de réplication (oriC) Le chromosome bactérien, tel que celui d'E. coli, qui mesure environ 4,2 x 10^6 paires de bases (pb), possède un site d'initiation unique appelé *oriC*. Ce locus *oriC* a une taille d'environ 245 pb. La formation de deux fourches réplicatives est rendue possible par la présence de cette origine unique. La vitesse de synthèse de l'ADN est d'environ 50 000 pb par minute [11](#page=11). ### 2.2 Fixation des protéines DnaA et formation du complexe de pré-amorçage L'initiation débute par la fixation des protéines DnaA sur l'ADN, une étape cruciale dans la préparation de la réplication. Chaque monomère de la protéine DnaA possède un domaine ATPase. L'ADN s'enroule autour d'un hexamère de DnaA, ce qui conduit à l'exposition des simples brins d'ADN au sein d'un complexe de pré-amorçage [15](#page=15). > **Tip:** L'hydrolyse de l'ATP au sein de la protéine DnaA sert de signal pour l'initiation de la réplication de l'ADN [18](#page=18). ### 2.3 Déroulement de l'ADN par les hélicases Au sein du complexe de pré-amorçage, l'hélicase hexamérique, nommée DnaB, est chargée autour de l'ADN, en association avec la protéine DnaC. Les régions riches en adénine-thymine (AT) de l'*oriC* sont déroulées et occupées par des protéines de liaison aux simples brins (SSB). Par la suite, la primase peut insérer une amorce d'ARN. Enfin, la DNA polymérase III s'assemble sur ce complexe de pré-amorçage [18](#page=18). --- # Élongation de la réplication chez les procaryotes L'élongation est la phase de la réplication de l'ADN où les nouveaux brins d'ADN sont synthétisés en utilisant les brins parentaux comme modèles. Ce processus implique la synthèse continue d'un brin directeur et la synthèse discontinue de l'autre brin, appelée brin retardé, sous forme de fragments [20](#page=20) [57](#page=57). ### 3.1 Principes généraux de l'élongation L'élongation de la réplication de l'ADN est un processus complexe qui nécessite plusieurs acteurs enzymatiques et substrats. L'enzyme centrale de cette étape est la DNA polymérase III [37](#page=37). #### 3.1.1 Rôle de la DNA polymérase III La DNA polymérase III est l'enzyme responsable de la synthèse des nouveaux brins d'ADN lors de la réplication. Pour fonctionner, elle requiert plusieurs éléments [37](#page=37): * Un brin d'ADN matrice pour guider la synthèse du brin complémentaire [37](#page=37). * Une amorce d'ARN avec une extrémité 3'-hydroxyle (OH) libre pour initier la synthèse [37](#page=37). * Les quatre désoxyribonucléotides triphosphates (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) comme éléments constitutifs [37](#page=37). * La présence de magnésium ($Mg^{2+}$) comme cofacteur [37](#page=37). L'élongation se déroule toujours dans la direction 5' vers 3' du nouveau brin synthétisé. La DNA polymérase III est un complexe enzymatique sophistiqué capable de répliquer simultanément les deux brins d'ADN. Elle possède également une activité exonucléasique 3' vers 5', qui lui permet de corriger les erreurs en retirant les nucléotides mal appariés [37](#page=37) [38](#page=38). > **Tip:** La vitesse de réplication chez les procaryotes est d'environ 35 nucléotides par seconde [33](#page=33). #### 3.1.2 Synthèse continue et discontinue L'élongation se manifeste de deux manières différentes sur les deux brins parents, en raison de la nature antiparallèle des brins d'ADN et de la directionnalité de la DNA polymérase III (5' vers 3'). ##### 3.1.2.1 Le brin directeur (leading strand) Le brin directeur est synthétisé de manière continue dans la direction de l'ouverture de la fourche de réplication. La DNA polymérase III peut copier ce brin sans interruption une fois l'amorce mise en place [20](#page=20) [57](#page=57). ##### 3.1.2.2 Le brin retardé (lagging strand) Le brin retardé est synthétisé de manière discontinue dans la direction opposée à l'ouverture de la fourche de réplication. La synthèse se fait par petits fragments, appelés fragments d'Okasaki. Chaque fragment d'Okasaki nécessite une nouvelle amorce d'ARN pour être initié. La DNA polymérase III synthétise ensuite l'ADN à partir de l'extrémité 3'-OH de cette amorce jusqu'à ce qu'elle rencontre le fragment d'Okasaki précédent ou la fourche de réplication [20](#page=20) [57](#page=57). > **Example:** L'élongation est comparée à deux opérations d'apparence semblable mais de mécanismes distincts: la synthèse continue d'un brin directeur et la synthèse discontinue d'un brin retardé [20](#page=20). --- # Acteurs enzymatiques de la réplication chez les procaryotes La réplication de l'ADN chez les procaryotes implique une série d'enzymes spécialisées qui travaillent de concert pour assurer la duplication fidèle du génome. ### 4.1 Les hélicases Les hélicases sont des enzymes essentielles qui initient le processus de réplication en séparant les deux brins de la double hélice d'ADN. Elles agissent en hydrolysant l'ATP, ce qui fournit l'énergie nécessaire pour rompre les liaisons hydrogène entre les bases azotées. Ces enzymes sont hautement processives, ce qui signifie qu'elles peuvent se lier à l'ADN et le dérouler sur de longues distances sans se dissocier. Les hélicases adoptent une forme annulaire, composée d'un hexamère, et se déplacent de manière orientée le long de l'ADN au niveau de la fourche de réplication. Le déroulement de l'ADN par les hélicases crée deux fourches de réplication, permettant ainsi une réplication bidirectionnelle [32](#page=32). ### 4.2 La primase La primase est une enzyme cruciale qui synthétise de courtes amorces d'ARN nécessaires au démarrage de la synthèse de l'ADN par l'ADN polymérase. C'est une enzyme monomérique d'environ 65 kDa, codée par le gène *dnaG*. Bien qu'elle synthétise de l'ARN, elle possède une activité d'ARN polymérase. Pour fonctionner, la primase nécessite une séquence d'ADN matrice commençant par un motif 5'-AG-3'. Il a été observé la présence de trois primases associées à chaque hexamère d'hélicase. L'amorce d'ARN synthétisée par la primase a une longueur d'environ 5 nucléotides et est complémentaire d'un segment du brin matrice d'ADN. Cette amorce fournit l'extrémité 3'-OH libre indispensable à l'ADN polymérase pour initier l'élongation du brin d'ADN [35](#page=35) [48](#page=48). ### 4.3 L'ADN polymérase III L'ADN polymérase III est la principale enzyme responsable de la synthèse de nouveaux brins d'ADN lors de la réplication chez les procaryotes. Elle assure l'élongation rapide et fidèle du brin d'ADN en ajoutant des nucléotides complémentaires au brin matrice. Cette enzyme est hautement processive, capable d'ajouter des milliers de nucléotides par seconde. Son activité se déroule dans le sens 5' vers 3', en utilisant les dATP, dCTP, dGTP et dTTP comme substrats, en présence de magnésium (Mg2+) comme cofacteur essentiel [30](#page=30) [48](#page=48). ### 4.4 L'ADN polymérase I L'ADN polymérase I joue un rôle complémentaire important dans la réplication de l'ADN, notamment dans l'élimination des amorces d'ARN et la réparation des brins. Pour synthétiser l'ADN, elle requiert un brin matrice d'ADN et une amorce avec une extrémité 3'-OH libre. Son élongation se fait également dans le sens 5' vers 3', utilisant les mêmes substrats que l'ADN polymérase III. Une caractéristique distinctive de l'ADN polymérase I est sa double activité exonucléasique: elle possède une activité exonucléasique dans le sens 5' vers 3', ainsi qu'une activité 3' vers 5' (qui est une activité de correction d'épreuves). L'activité exonucléasique 5' vers 3' est particulièrement importante car elle permet de retirer les amorces d'ARN synthétisées par la primase, ouvrant la voie au remplacement par des nucléotides d'ADN [30](#page=30) [48](#page=48). ### 4.5 Les ligases Les ligases d'ADN interviennent dans la dernière étape de la formation des fragments d'ADN, notamment les fragments d'Okazaki. Après que l'ADN polymérase I a remplacé les amorces d'ARN par de l'ADN, il subsiste des coupures (des ruptures dans la chaîne phosphodiester) entre les fragments nouvellement synthétisés. La ligase d'ADN catalyse la formation d'une liaison phosphodiester entre l'extrémité 3'-OH d'un nucléotide et l'extrémité 5'-phosphate du nucléotide adjacent, scellant ainsi ces brisures et créant une molécule d'ADN continue [30](#page=30) [51](#page=51). > **Tip:** Comprendre le rôle spécifique de chaque enzyme est fondamental. Mémorisez leur fonction principale (hélicase = déroulement, primase = amorçage ARN, ADN Pol III = élongation principale, ADN Pol I = nettoyage ARN/remplacement ADN, ligase = scellement) ainsi que leurs caractéristiques clés (processivité, activités exonucléasiques). > > **Example:** L'ADN polymérase I est souvent décrite comme ayant un "nettoyeur et réparateur" en raison de son activité exonucléasique 5' vers 3' pour retirer les amorces d'ARN et de sa capacité à synthétiser l'ADN pour les remplacer [48](#page=48). ### 4.6 Rôle des topoisomérases Bien que non détaillées dans les pages spécifiées, les topoisomérases jouent un rôle crucial en relâchant la tension superhélicoïdale qui s'accumule dans l'ADN lors du déroulement par les hélicases. Elles préviennent ainsi le superenroulement excessif qui pourrait bloquer la progression de la fourche de réplication [30](#page=30). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Réplication | Processus par lequel une molécule d'ADN parental est dupliquée pour former deux molécules d'ADN filles identiques. Il est essentiel pour la division cellulaire et la transmission de l'information génétique. | | Réplication semi-conservative | Modèle de réplication de l'ADN où chaque nouvelle molécule d'ADN est composée d'un brin parental et d'un brin nouvellement synthétisé. C'est le modèle validé expérimentalement. | | Origine de réplication (oriC) | Séquence spécifique sur le chromosome de l'ADN où le processus de réplication commence. Chez E. coli, c'est un locus unique d'environ 245 paires de bases. | | Complexe de pré-amorçage | Structure initiée à l'origine de la réplication, formée par la fixation de protéines (comme DnaA) et le déroulement de l'ADN, permettant l'accès des autres enzymes nécessaires à la synthèse. | | Hélicase | Enzyme qui déroule la double hélice d'ADN en rompant les liaisons hydrogène entre les bases azotées, permettant ainsi l'accès aux brins individuels pour la réplication. Elle consomme de l'ATP. | | Primase | Enzyme qui synthétise une courte amorce d'ARN (environ 5 nucléotides) sur le brin matrice d'ADN. Cette amorce fournit une extrémité 3'-OH libre nécessaire à l'ADN polymérase pour initier la synthèse de nouveaux nucléotides. | | ADN polymérase III | L'enzyme principale responsable de l'élongation de la nouvelle chaîne d'ADN lors de la réplication. Elle ajoute des nucléotides complémentaires au brin matrice dans le sens 5' vers 3' et possède une activité exonucléasique 3' vers 5'. | | ADN polymérase I | Enzyme impliquée dans la réplication, notamment dans l'élimination des amorces d'ARN grâce à son activité exonucléasique 5' vers 3'. Elle remplit ensuite les lacunes avec des désoxyribonucléotides. | | Ligase | Enzyme qui joint les fragments d'ADN, comme les fragments d'Okasaki sur le brin retardé, en formant des liaisons phosphodiester pour créer une chaîne d'ADN continue. | | Fourche de réplication | Structure en forme de Y créée lorsque la double hélice d'ADN est déroulée, où la synthèse des nouveaux brins d'ADN a lieu. La réplication est bidirectionnelle, créant deux fourches. | | Brin directeur | Brin d'ADN synthétisé de manière continue dans le sens 5' vers 3' lors de la réplication, car il est aligné avec la direction d'ouverture de la fourche de réplication. | | Brin retardé | Brin d'ADN synthétisé de manière discontinue en plusieurs fragments (fragments d'Okasaki) dans le sens opposé à l'ouverture de la fourche de réplication. | | Fragments d'Okasaki | Petits segments d'ADN nouvellement synthétisés sur le brin retardé, séparés par des amorces d'ARN qui seront plus tard éliminées et liés par la ligase. | | Topoisomérase | Enzyme qui modifie la topologie de l'ADN en le coupant et en le relisant pour relâcher les tensions de superenroulement créées par le déroulement de la double hélice lors de la réplication. |