\chapter{La réplication de l'ADN}

\section{Introduction}

Nous savons que :  
\begin{itemize}
\item chaque division cellulaire doit être précédée d'une étape au cours de laquelle l'ADN est dupliqué;
\item cette étape, qui se déroule au cours de l'interphase (phase S), précédant toute division cellulaire est la réplication de l'ADN.
\end{itemize}

\begin{problematique}
Comment la cellule assure-t-elle la réplication de son matériel génétique ?
\end{problematique}


\section{Les expériences historiques de Meselson et Stahl}

Depuis Watson et Crick (1953), on sait que l'ADN est une molécule formée de deux brins complémentaires, formant une double hélice. La duplication de l'ADN (et donc des chromatides) permet de passer de chromosomes à une chromatide à des chromosomes possédant deux chromatides identiques, portant la même information génétique. 

\begin{problematique}
Selon quelles modalités passe-t-on d'une molécule d'ADN formée de deux brins à deux molécules d'ADN bicaténaires identiques ?
\end{problematique}


\begin{methode}
Cette partie se prête bien à la réalisation d'une démarche scientifique (constat, problème, hypothèses, conséquences vérifiables, expérience, résultats, interprétation, conclusion). Pratiquez la méthode des feed-back en essayant de retrouver les différentes étapes de cette démarche. 
\end{methode}

\subsection{Les hypothèses}

Pour expliquer la duplication d'un ADN bicaténaire, trois modèles ont été proposés. Ces modèles se basent tous sur l'utilisation de la molécule d'ADN \og mère \fg comme matrice pour sa réplication, mais selon des modalités différentes. On distingue trois modèles hypothétiques : 
\begin{itemize}
\item \textit{Hypothèse conservative (A) :} les deux brins d'ADN de la molécule mère restent ensemble après avoir servi de modèle. 
\item \textit{Hypothèse semi-conservative (B) :} chaque molécule fille d'ADN contient un brin de la molécule mère et un brin nouvellement synthétisé.
\item \textit{Hypothèse dispersive (C) :} les deux molécules filles d'ADN comportent des fragments d'ADN parental et d'ADN nouvellement synthétisé. 
\end{itemize}

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{038_2_crs_1}%
\figcaption{Les trois modèles explicatifs.}
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\subsection{Conséquences vérifiables}

\enlargethispage*{4em}
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\includegraphics[height=7cm]{038_2_crs_2}%
\figcaption{Résultats attendus sur deux générations.}
\end{center}
\end{figure}

\newpage

\begin{methode}
 Pratiquez la méthode des « couches successives » en imaginant les résultats obtenus aux générations suivantes. 
\end{methode}


\subsection{Description de l'expérience et résultats}

Des bactéries cultivées depuis longtemps en présence de molécules azotées $^{15}$N (plus lourd) sont repiquées sur un milieu contenant des molécules azotées $^{14}$N (plus léger) et permettant la synchronisation des divisions. L'ADN marqué au $^{15}$N correspondra ainsi à de l'ADN de type parental alors que de l'ADN marqué au $^{14}$N à de l'ADN nouvellement synthétisé. Des fractions sont prélevées après différents temps correspondant à plusieurs générations. L'ADN extrait est placé dans une solution et centrifugé 24h à très grande vitesse. La position des bandes d'ADN est repérée par une mesure de la densité.

\begin{figure}
\begin{center}
\includegraphics[width=\linewidth]{039_2_crs_3}%
\figcaption{Les résultats de Meselson et Stahl.}
\end{center}
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\subsection{Interprétation des résultats}

\enlargethispage*{4em}

Après 1 génération, tout l'ADN est hybride (du point de vue de sa densité). On peut donc, dès cette première observation, \textit{rejeter le modèle conservatif}. En effet, dans le cadre d'un modèle conservatif, nous aurions obtenu une bande constituée d'ADN $^{15}$N et d'une bande d'ADN $^{14}$N. Au bout de deux générations cellulaires, Meselson et Stahl observent la présence d'ADN hybride et d'ADN léger. Ceci permet de conclure quant aux deux modèles restants : dispersif et semi-conservatif. Dans le cadre d'un modèle dispersif, on obtiendrait exclusivement des bandes hybrides, alors que dans un modèle semi-conservatif, on peut observer des bandes hybrides et des bandes $^{14}$N comme le prévoyaient les résultats attendus. Le \textit{modèle dispersif} est donc rejeté.

\Cf{ch2exo5corr}.
 
 \subsection{Conclusion}
 
L'expérience de Meselson et Stahl permet donc de mettre en évidence le fait que \textit{la réplication se réalise selon un mode semi-conservatif}. Au fil des générations, on obtiendra de plus en plus d'ADN léger et de moins en moins d'ADN hybride. 

\NathanLiveVideo[\PictoVideo\ Retrouvez les expériences historiques de Meselson et Stahlen vidéo avec \PictoNathanLive]{expériences Meselon}{}

\section{Les mécanismes moléculaires de la réplication de l'ADN}

\begin{problematique}
Par quels mécanismes la réplication semi-conservative de l’ADN est-elle assurée ?
\end{problematique}


La réplication de l'ADN est réalisée dans le noyau par des complexes enzymatiques, comprenant l'\textit{ADN polymérase}. Au cours de ce processus, les brins de l'ADN sont écartés et le complexe enzymatique synthétise, à partir de nucléotides libres, et en consommant de l'énergie, deux brins d'ADN dit « néosynthétisés » de séquence complémentaire de celle des brins préexistant (brins parentaux).  Cette fabrication de nouveaux brins d'ADN s'effectue en respectant la complémentarité des nucléotides (A et T / C et G).

\Par

Les molécules d'ADN en cours de réplication peuvent être observées au microscope électronique : il est alors possible de voir des zones appelées « yeux de réplication » où la molécule d'ADN est dédoublée. Chaque \oe il comporte deux fourches de réplication, figures en forme de Y, où une ADN polymérase effectue la réplication de l'ensemble de la molécule d'ADN. Les deux « copies » restent néanmoins solidaires au niveau d'une zone qui forme le centromère du chromosome (\cf{ch1exo14}).

\enlargethispage*{3em}

\begin{figure}
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\includegraphics{040_2_crs_4}%[height=55mm]
\figcaption{Les étapes de la réplication de l'ADN.}
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\end{figure}


Ainsi un chromosome à deux chromatides, tel qu'il apparaît au début de la mitose, est constitué de deux molécules d'ADN identiques, portant la même information génétique, c'est à dire la même série d'allèles. La réplication semi-conservative de l'ADN est un mécanisme extrêmement fiable de copie de l'information génétique où très peu d'erreurs se produisent. C'est cette fiabilité qui permet la reproduction « conforme » de la cellule. Chaque cellule fille contient donc la même information génétique que la cellule mère : c'est un clone. 

\begin{attention}
Dans une cellule en division, il est possible de repérer des chromosomes, supports de l'information génétique. Ces chromosomes peuvent être doubles (deux chromatides) ou simples (une chromatide). Ces chromosomes sont constitués d'ADN. L'ADN est une molécule filamenteuse très fine (2nm d'épaisseur). Cependant, dans une cellule, l'ADN est toujours associé à des protéines (les histones). Ainsi, en interphase, l'épaisseur des filaments enroulés est de 30nm. Le chromosome 1 humain contient ainsi des molécules d'ADN de 8,2cm de long. A une plus petite échelle, chaque chromatide est constituée d'une molécule d'ADN. Chaque molécule d'ADN est une molécule bicaténaire, c'est à dire constituée de deux brins. 
\end{attention}

\begin{aretenir}
Au cours de la phase S du cycle cellulaire, on observe un doublement de la quantité d'ADN dû au processus de réplication d'ADN. Cette réplication se fait de manière semi-conservative, c'est à dire que chacun des deux brins de l'ADN sert de matrice à l'ADN polymérase qui réalise cette réplication. En l'absence d'erreur, ce phénomène préserve la séquence nucléotidique de la cellule mère. La réplication participe donc à la reproduction conforme de la cellule et la fabrication de clones. 
\end{aretenir}
 
