Étapes et processus de réplication de l’ADN

Pourquoi répliquer l’ADN ?

L’ADN est le matériel génétique qui définit chaque cellule. Avant qu’une cellule ne se reproduise et ne soit divisée en nouvelles cellules filles par mitose ou méiose, les biomolécules et les organites doivent être copiés pour être distribués entre les cellules. L’ADN, qui se trouve dans le noyau, doit être répliqué afin de garantir que chaque nouvelle cellule reçoive le nombre correct de chromosomes. Le processus de duplication de l’ADN est appelé Réplication de l’ADN. La réplication suit plusieurs étapes qui impliquent de multiples protéines appelées enzymes de réplication et ARN. Dans les cellules eucaryotes, telles que les cellules animales et les cellules végétales, la réplication de l’ADN se produit dans la phase S d’interphase au cours du cycle cellulaire. Le processus de réplication de l’ADN est vital pour la croissance, la réparation et la reproduction des cellules dans les organismes.

Points clés à retenir

• L’acide désoxyribonucléique, communément appelé ADN, est un acide nucléique qui a trois composants principaux : un sucre désoxyribose, un phosphate et une base azotée.
• Comme l’ADN contient le matériel génétique d’un organisme, il est important qu’il soit copié lorsqu’une cellule se divise en cellules filles. Le processus qui permet de copier l’ADN est appelé réplication.
• La réplication implique la production d’hélices d’ADN identiques à partir d’une molécule d’ADN double brin.
• Les enzymes sont essentielles à la réplication de l’ADN car elles catalysent des étapes très importantes du processus.
• Le processus global de réplication de l’ADN est extrêmement important pour la croissance et la reproduction des cellules dans les organismes. Il est également vital dans le processus de réparation cellulaire.

Structure de l’ADN

L’ADN ou acide désoxyribonucléique est un type de molécule connu sous le nom d’acide nucléique. Il est constitué d’un sucre désoxyribose à 5 carbones, d’un phosphate et d’une base azotée. L’ADN double brin est constitué de deux chaînes d’acide nucléique en spirale qui sont torsadées en forme de double hélice. Cette torsion permet à l’ADN d’être plus compact. Afin de s’insérer dans le noyau, l’ADN est emballé dans des structures étroitement enroulées appelées chromatine. La chromatine se condense pour former des chromosomes lors de la division cellulaire. Avant la réplication de l’ADN, la chromatine se relâche, ce qui permet aux machines de réplication cellulaire d’accéder aux brins d’ADN.

Préparation à la reproduction

Étape 1 : Formation de la fourchette de reproduction

Avant que l’ADN puisse être répliqué, la molécule double brin doit être « décomposée » en deux brins simples. L’ADN a quatre bases appelées adénine (A), thymine (T), cytosine (C) et guanine (G) qui forment des paires entre les deux brins. L’adénine ne s’apparie qu’avec la thymine et la cytosine ne se lie qu’avec la guanine. Afin de dérouler l’ADN, ces interactions entre paires de bases doivent être rompues. Ceci est réalisé par une enzyme appelée ADN helicase. L’hélicase de l’ADN perturbe la liaison hydrogène entre les paires de bases pour séparer les brins en une forme en Y connue sous le nom de fourchette de réplication. Cette zone servira de modèle pour commencer la reproduction.

L’ADN est directionnel dans les deux brins, signifié par une extrémité 5′ et 3′. Cette notation signifie quel groupe latéral est attaché à la colonne vertébrale de l’ADN. Le site 5′ fin a un groupe de phosphate (P) attaché, tandis que le 3′ fin a un groupe hydroxyle (OH) attaché. Cette directionalité est importante pour la réplication car elle ne progresse que dans la direction 5′ à 3′. Cependant, la fourchette de réplication est bidirectionnelle ; un brin est orienté dans la direction 3′ à 5′. (premier volet) tandis que l’autre est orientée 5′ à 3 (volet en retard). Les deux côtés sont donc reproduits avec deux processus différents pour tenir compte de la différence de direction.

La réplication commence

Étape 2 : Reliure de l’amorce

Le volet principal est le plus simple à reproduire. Une fois les brins d’ADN séparés, un court morceau d’ARN appelé primer se lie à l’extrémité 3′ du brin. L’amorce se lie toujours comme point de départ de la réplication. Les amorces sont générées par l’enzyme Primauté de l’ADN.

Réplication de l’ADN : Allongement

Les polymérases de l’ADN (bleu) s’attachent à l’ADN et allongent les nouveaux brins en ajoutant des bases nucléotidiques.

Étape 3 : Allongement

Les enzymes connues sous le nom de Les polymérases de l’ADN sont responsables de la création du nouveau brin par un processus appelé élongation. Il existe cinq différents types d’ADN polymérase connus dans les bactéries et les cellules humaines. Dans les bactéries telles que E. coli, polymérase III est la principale enzyme de réplication, tandis que les polymérases I, II, IV et V sont responsables de la vérification et de la réparation des erreurs. L’ADN polymérase III se lie au brin à l’emplacement de l’amorce et commence à ajouter de nouvelles paires de bases complémentaires au brin pendant la réplication. Dans les cellules eucaryotes, les polymérases alpha, delta et epsilon sont les principales polymérases impliquées dans la réplication de l’ADN. Comme la réplication se fait dans la direction 5′ à 3′ sur le brin principal, le nouveau brin formé est continu.

Le volet en retard commence la réplication en se liant avec plusieurs amorces. Chaque amorce n’est séparée que de plusieurs bases. L’ADN polymérase ajoute ensuite des morceaux d’ADN, appelés Fragments d’Okazakià la ligne entre les amorces. Ce processus de réplication est discontinu car les fragments nouvellement créés sont disjoints.

Étape 4 : Résiliation

Une fois que les brins continus et discontinus sont formés, une enzyme appelée exonuclease supprime tous les amorces d’ARN des brins d’origine. Ces amorces sont ensuite remplacées par des bases appropriées. Une autre exonucléase « corrige » l’ADN nouvellement formé pour vérifier, supprimer et remplacer toute erreur. Une autre enzyme appelée ADN ligase réunit les fragments d’Okazaki en un seul brin unifié. Les extrémités de l’ADN linéaire posent un problème car l’ADN polymérase ne peut ajouter des nucléotides que dans le sens 5′ à 3′. Les extrémités des brins parents sont constituées de séquences répétées d’ADN appelées télomères. Les télomères agissent comme des capuchons protecteurs à l’extrémité des chromosomes pour empêcher les chromosomes voisins de fusionner. Un type spécial d’enzyme ADN polymérase appelé télomérase catalyse la synthèse des séquences de télomères aux extrémités de l’ADN. Une fois terminé, le brin parent et son brin d’ADN complémentaire s’enroulent en une double hélice. À la fin, la réplication produit deux molécules d’ADN, chacune avec un brin de la molécule mère et un nouveau brin.

Enzymes de réplication

Molécule d’ADN polymérase.

La réplication de l’ADN ne se ferait pas sans les enzymes qui catalysent les différentes étapes du processus. Parmi les enzymes qui participent au processus de réplication de l’ADN eucaryote, on peut citer

• L’hélicase ADN – déroule et sépare l’ADN double brin au fur et à mesure qu’il se déplace le long de l’ADN. Il forme la fourchette de réplication en brisant les liaisons hydrogène entre les paires de nucléotides de l’ADN.
• Primauté de l’ADN – un type d’ARN polymérase qui génère des amorces d’ARN. Les amorces sont de courtes molécules d’ARN qui agissent comme des matrices pour le point de départ de la réplication de l’ADN.
• Les polymérases de l’ADN – synthétiser de nouvelles molécules d’ADN en ajoutant des nucléotides aux brins d’ADN principaux et secondaires.
• Topoisomérase ou de l’ADN Gyrase – déroule et réenroule les brins d’ADN pour empêcher l’ADN de s’emmêler ou de se superposer.
• Exonucléases – groupe d’enzymes qui éliminent les bases nucléotidiques de l’extrémité d’une chaîne d’ADN.
• ADN ligase – réunit les fragments d’ADN en formant des liaisons phosphodiester entre les nucléotides.

Résumé de la réplication de l’ADN

Réplication de l’ADN.

La réplication de l’ADN est la production d’hélices d’ADN identiques à partir d’une seule molécule d’ADN double brin. Chaque molécule est constituée d’un brin de la molécule d’origine et d’un brin nouvellement formé. Avant la réplication, l’ADN se déroule et les brins se séparent. Une fourchette de réplication est formée, qui sert de modèle pour la réplication. Les amorces se lient à l’ADN et les polymérases de l’ADN ajoutent de nouvelles séquences de nucléotides dans le sens 5′ à 3′.

Cet ajout est continu dans le volet principal et fragmenté dans le volet secondaire. Une fois l’élongation des brins d’ADN terminée, les brins sont vérifiés pour détecter les erreurs, des réparations sont effectuées et des séquences de télomères sont ajoutées aux extrémités de l’ADN.

Sources

• Reece, Jane B., et Neil A. Campbell. Campbell Biology. Benjamin Cummings, 2011.