BIO 1101 - Structure de l'ADN - Cours PDF

BIO 1101 Chapitre 1 : La structure de l'ADN 1. Les atomes, liaisons chimiques et molécules Atome : - Veut dire indivisible. - Est la plus petite unité possédant les propriétés d'un élément (chaque élément est constitué d'un type d'atome qui lui est propre) - Constitué de + de 200 pa...

BIO 1101 Chapitre 1 : La structure de l'ADN 1. Les atomes, liaisons chimiques et molécules Atome : - Veut dire indivisible. - Est la plus petite unité possédant les propriétés d'un élément (chaque élément est constitué d'un type d'atome qui lui est propre) - Constitué de + de 200 particules dont le neutron, le proton (+) et électron (-) - Son noyau est formé à l'aide du neutron et du proton Les électrons autour d'un noyau atomique sont organisés en couches ou niveaux d'énergie. Chaque couche correspond à un nombre quantique principal ( n ) (1, 2, 3, etc.). Chaque couche ( n ) est divisée en sous-couches (s, p, d, f).  La dernière couche voir le dernier niveau d'énergie, est la couche de valence. La couche de valence : - permet des interactions entre les atomes et des liaisons chimiques - peut avoir maximum 2 ou 8 électrons Utilisez la formule ( 2n\^2 ) pour déterminer le nombre maximal d'électrons que la couche peut contenir. - Pour ( n = 1 ) : ( 2 \\times 1\^2 = 2 ) électrons. - Pour ( n = 2 ) : ( 2 \\times 2\^2 = 8 ) électrons. - Pour ( n = 3 ) : ( 2 \\times 3\^2 = 18 ) électrons. - Pour ( n = 4 ) : ( 2 \\times 4\^2 = 32 ) électrons. - Le nombre de protons = au nombre d'électrons pour un atome donné - Ce n'est pas l'équivalent d'être énergétiquement stable (- de mouvement = + de stabilité) La formation d'une liaison chimique entre 2 atomes dégage de l'énergie ( - de mouvement) Briser une liaison, il faut fournir de l'énergie (les 2 atomes retournent à leur mouvement initial) Les liaisons **covalentes** sont des types de **liaisons chimiques** où **deux atomes** **partagent des électrons**. Elles peuvent être classées en deux catégories principales : **Liaisons covalentes non polaires** : Dans ce type de liaison, les **électrons** sont **partagés de manière égale entre les atomes**. Cela se produit généralement lorsque les atomes impliqués ont des électronégativités similaires.  **Liaisons covalentes polaires** : Ici, les électrons sont partagés de **manière inégale** entre les atomes, car l'un des atomes a une électronégativité plus élevée que l'autre. Cela crée une distribution inégale de la charge électrique, avec une partie de la molécule légèrement positive et l'autre légèrement négative.  Les chaînes carbonées : - Sont formées par des atomes de carbone reliés entre eux par des liaisons **covalentes non polaires** - Servent de base pour la formation de diverses molécules organiques. - Les atomes de carbone peuvent s'associer entre eux par des liaisons doubles, simples, triples et finissent par former des **chaînes parfois longues et rectilignes, ramifiées ou cycliques (Ce sont les squelettes des macromolécules biologiques)** - Forment ces squelettes - **Peuvent faire des liens avec d'autres molécules (ex : formation de tissus, de groupements fonctionnels)** Les diverses propriétés d'une molécule organique dépendent des autres atomes qui s'y lient. L**es groupements fonctionnels sont les groupements d'atomes qui participent le plus aux réactions chimiques des molécules organiques**. Ils contiennent des liaisons covalentes polaires et ils sont parfois ionisés. [[Une **liaison ionique** est un type de liaison chimique où un ou plusieurs électrons sont transférés d'un atome à un autre, créant ainsi des ions de charges opposées qui s'attirent mutuellement^1^](https://www.alloprof.qc.ca/fr/eleves/bv/sciences/les-liaisons-covalente-et-ionique-s1070)[^2^](https://fr.wikipedia.org/wiki/Liaison_ionique)]. Quel est l'avantage de posséder des liaisons covalentes polaires, par rapport aux liaisons covalentes non polaires ? **Pour l\'équilibre énergétique= efficacité= stabilité entre les molécules= bon fonctionnement** Les liaisons covalentes polaires peuvent rendre les molécules plus réactives. [[La différence de charge partielle crée des sites réactifs sur la molécule, facilitant les réactions chimiques^2^]](https://bing.com/search?q=avantage+des+liaisons+covalentes+polaires+par+rapport+aux+liaisons+covalentes+non+polaires). Une macromolécule : - Structure 3D dont la forme dépend de la séquence - Les différents monomères se lient par des liaisons covalentes - La structure 3D est stabilisée par des liaisons covalentes et non covalente La **survie de la cellule** **dépend** des **nombreuses interactions entre les molécules qui la composent**. En général, elles vont interagir ensemble par des **liaisons non covalentes**. \+ les deux molécules s'assemblent bien (la complémentarité), + elles forment des liens non covalents entre elles. ¬. Ce sont des **interactions de faible énergie**, mais elles peuvent être nombreuses 1956= Création du dogme central  2. La structure de l'ADN - Sucre + base azotée + gr. Phosphate - Peut avoir entre 1 à 3 P (mono, di, triphosphate) - Molécule organique Nucléoside : - Sucre + base azotée - Molécule organique La différence entre ADN et ARN réside dans le sucre. Purines : -  Incluent deux des bases azotées de l'ADN et de l'ARN : l'adénine (A) et la guanine (G) - Production d'énergie Pyrimidines : - Cytosine et Thymine Uracile remplace la thymine dans l'ARN.  La polymérisation d'ADN nécessite un apport en nucléotides (3-p). Mais pourquoi ? Car : -  La polymérisation de l'ADN nécessite de l'énergie. Cette énergie est fournie par l'hydrolyse des deux groupes phosphate supplémentaires présents dans les dNTPs (nucléotide). [[Lorsque ces groupes phosphate sont libérés, ils fournissent l'énergie nécessaire pour la formation de la liaison phosphodiester^2^]](https://fr.wikipedia.org/wiki/ADN_polym%C3%A9rase). -  Les nucléotides, spécifiquement les désoxyribonucléotides triphosphates (dNTPs), sont les unités de base qui sont ajoutées au brin d'ADN en croissance. [[Chaque nucléotide fournit un groupe phosphate pour former la liaison phosphodiester avec le nucléotide précédent, ce qui est crucial pour l'élongation de la chaîne d'ADN^1^]](https://www.ecole-adn.fr/uploads/2011/10/cours-PCR-C-SIATKA-COMPLET.pdf) - Les ADN polymérases utilisent les nucléotides pour vérifier et corriger les erreurs pendant la réplication. [[La complémentarité des bases nucléotidiques permet à l'ADN polymérase de s'assurer que chaque nucléotide ajouté est correct, minimisant ainsi les erreurs dans la séquence d'ADN^3^]](https://www.studysmarter.fr/resumes/biologie/svt/adn-polymerase/) Fonctions des nucléotides : - Les nucléotides sont une source d'énergie chimique via la liaison entre les groupements phosphate facilement hydrolysable. Exemple : ATP - Association avec différents groupements chimiques pour former des coenzymes. - Molécules de signalisation intracellulaire ou second messager.  La polymérisation : - L'ADN est un polymère (macromolécule composée de plusieurs monomère) de nucléotides. La polymérisation se fait grâce à **la formation du lien phosphodiester** qui **relie les deux sucres de deux nucléotides différents via le groupement phosphate. La liaison entre le groupe phosphate d'un nucléotide et le sucre d'un autre forme une liaison phosphodiester.** - Nécessite une enzyme (**polymérase=** synthèse des acides nucléique comme ADN et ARN ) et un apport en **nucléotides triphosphate** Chaque nouveau nucléotide est ajouté sur **le carbone 3'**(sucre) du nucléotide précédant et une molécule du **pyrophosphate est libérée**. Le **pyrophosphate** (PPi) est un composé chimique formé par la condensation de deux molécules de phosphate. [[Il joue un rôle crucial dans divers processus biochimiques, notamment dans le transfert d'énergie au sein des cellules^1^](https://fr.wikipedia.org/wiki/Pyrophosphate)[^2^](https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrophosphate)]. [[Il est souvent produit lors de l'hydrolyse de l'ATP]](https://en.wikipedia.org/wiki/Pyrophosphate) ¬ **La polymérisation se déroule du 5' vers 3**' (flèche verte ) La charge négative à pH neutre sur le gr. p. confère une charge globale négative à l'ADN une fois la molécule polymérisée. Polymérisation perdu deux phosphates qui va être libéré = charge négative de l\'adn Les liaisons phosphodiesters entre les nucléotides assurent la polymérisation de la charpente sucre-phosphate d'un brin d'ADN.  Les chaines de nucléotides ont a leurs extrémités **un groupe phosphate C5'** et un **groupe hydroxyle libre C3',** a partir duquel l'élongation, peut se poursuivre. Comme les sucres sont identiques mais que les bases diffères alors **la séquence est identifiée avec les bases du 5' vers 3'** Adénine -- thymine (A-T) : 2 liens H Cytosine- Guanine (C-G) : 3 liens H Les liaisons hydrogènes assurent la formation de la structure secondaire bicaténaire de l'ADN. **Liaisons H sont faibles, mais leur grand nombre donne beaucoup de stabilité à l'ensemble.** **La complémentarité des bases azotées est essentielle à la réplication de l'ADN**.  c\) Les caractéristiques de l'ADN **La complémentarité et l'effet antiparallèle** Pour **former des ponts H** entre les nucléotides (leurs bases) : o Il faut avoir un **couple compatible**: A ne peut lier que T (avec 2 liens H), et G ne peut lier que C (avec 3 liens H) o Même dans les couples compatibles, les liens H ne se forment que si l'orientation des deux nucléotides est **antiparallèle** (c'est à dire C5' de l'un en face du C3' de l'autre). **Chaines hélicoïdales** **Les sillons majeurs et mineurs sont formés à cause de l'angle entre 2 liens glycosidiques d'un couple de nucléotides.**   **1.3. La dénaturation et l'hybridation** **Dénaturation: perte de la structure quaternaire, tertiaire ou secondaire présente dans la forme « native» de la molécule.** **Les nucléotides sont assemblés par des liens covalents phosphodiesters forts Les chaînes antiparallèles sont maintenues ensemble par des liens H faibles** Si on c**hauffe** (ou applique un traitement alcalin) une **molécule d'ADN double brin**(bicaténaire): on **brise les liens H** et on obtient 2 chaînes à un brin(monocaténaire) ayant leurs liens phosphodiesters intacts = **la dénaturation.** Lorsque la température redescend, les brins se réassocient selon la complémentarité de leurs bases ¬ **l'hybridation** (renaturation)= réformation des liens H L'hybridation peut se faire entre les deux brins initiaux OU, avec d'autres molécules monocaténaires d'ADN ou d'ARN ajoutées dans la solution : **l'hybridation est possible entre un brin de départ et un brin ajouté.** **Cette propriété permet de détecter la présence d'une séquence spécifique dans un échantillon.**   **Température d'hybridation : C'est la température à laquelle les brins d'ADN s'apparient. Si la température est trop basse, les brins peuvent s'apparier de manière non spécifique, c'est-à-dire avec des séquences qui ne sont pas parfaitement complémentaires. Si la température est trop élevée, les brins ne s'apparieront pas du tout.** **Température de dénaturation : C'est la température à laquelle les deux brins d'ADN se séparent. Plus cette température est élevée, plus les liaisons entre les bases complémentaires sont fortes.** **Spécificité de l'hybride : Cela signifie que les brins d'ADN s'apparient uniquement avec leurs séquences complémentaires exactes.** **Donc, la phrase signifie que plus la température d'hybridation est élevée (proche de la température de dénaturation), plus l'appariement entre les brins d'ADN sera spécifique. [[En d'autres termes, à des températures élevées, seuls les brins parfaitement complémentaires s'apparieront, ce qui augmente la spécificité de l'hybridation^1^](https://fr.wikipedia.org/wiki/Hybridation_de_l%27ADN)[^2^](https://www.supagro.fr/ress-tice/PCR/1/co/hybridation.html)]**    Chapitre 2 : La structure du génome 1. **Les protéines** a. **Structure primaire** b. **Structure secondaire** c. **La structure tertiaire** d. **Structure quaternaire** a. **Compactage de l'ADN chez les procaryotes** Les bactéries ont un **génome beaucoup plus petit que les eucaryotes**. o Forme une structure appelée **nucléoïde** ( [[région située à l'intérieur des cellules procaryotes, où se trouve la majeure partie du matériel génétique]](https://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl%C3%A9o%C3%AFde). Le nucléoïde joue un rôle crucial dans la régulation et la réplication de l'ADN procaryote.) o Situé directement dans le **cytoplasme.** o **Des petites protéines** aident à l'organisation spatiale de l'ADN, rôle similaire aux histones eucaryotes. **[[Le génome des bactéries est situé dans le nucléoïde, une région du cytoplasme qui n'est pas délimitée par une membrane]](https://souslemicroscope.com/genome-bacterien/).**  **Le nucléoïde est dynamique car il peut changer de forme en fonction des besoins et des phases de la cellule.**  b. **Compactage de l'ADN chez les eucaryotes** **L'état de l'ADN dépend à quelle phase du cycle cellulaire se trouve la cellule.** **Deux niveaux de condensation :** - **Chromosome mitotique :** ADN très condensé - **Chromatine :** ADN moins condensé **Plus condensé ≡ moins accessible pour les protéines de transcription, réplication, réparation et recombinaison** **À l'interphase (la vie normale d'une cellule) : L'ADN dans le noyau, sous forme de longs filaments appelés la chromatine.** **À la mitose (division cellulaire) : Le noyau disparait et l'ADN condensé en chromosomes mitotiques.** Les protéines représentent la moitié de la masse moléculaire d'un chromosome. **Même si la chromatine est dans un état moins condensé que le chromosome, elle diminue l'accessibilité de l'Adn pour les enzymes.** **La chromatine :** - **Ensemble d'ADN + protéines associées** - **Majorité de ses protéines sont des histones (protéines de condensation)** - **Les protéines non-histones, ont des rôles durant la transcription, réplication, réparation et recombinaison de l'ADN.** **Deux types de chromatine :** - **Hétérochromatine : + condensé, - transcrite** - **Euchromatine : - condensé. + transcrite** **Passage de l'hétérochromatine à l'euchromatine grâce aux histones.** Les histones contrôlent le passage d'une forme à l'autre grâce à des complexes remodelant et une 5 -ème histone (H1). **2.3. Les histones et le nucléosome**  **Le noyau du nucléosome («core») est constitué de 8 histones (octamère).** **L'ADN s'enroule 1,65 fois autour de chaque noyau et cela représente \~146 pb(«coreADN»). ¬ L'ADN reliant 2 noyaux mesure entre 20 et 60 pb et est appelé intercalaire («linker»).**  a. **Interaction des histones avec l'ADN** 1. **: Les histones sont des protéines riches en acides aminés basiques comme la lysine et l'arginine, qui sont chargés positivement. L'ADN, quant à lui, est chargé négativement en raison de ses groupes phosphate. [[Cette attraction électrostatique entre les charges opposées permet à l'ADN de s'enrouler étroitement autour des histones^1^](https://theses.hal.science/tel-00727677/document)[^2^](https://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209070/chromatine-organisation-fonctionnelle-du-g-nome)].** b. **La composition du nucléosome** **2 dimères H2A-H2B et d'un tétramèreH3-H4 pour un total de 8 histones (2 de chaque type).**  **Les dimères et les tétramères sont des intermédiaires du nucléosome. Ils sont en solution en absence d'ADN disponible. o Les 2 intermédiaires ont une configuration permettant de garder les queues N-terminales à l'extérieur.** **Le noyau du nucléosome ne peut s'agencer qu'en présence d'ADN.** c. **L'assemblage du nucléosome** **Le tétramère H3-H4 se lie à l'ADN en premier plie l'ADN et l'enroule. o Les deux dimères H2A-H2B se joignent ensuite au complexe et le stabilisent. o Chacune des 8 histones du noyau a une longue queue N-terminale qui ressort du nucléosome. ¬ Elles stabilisent davantage l'ADN autour du noyau et permettent des interactions entre les nucléosomes.**  **effet domino, formation de nucléosome= attire d\'autres histones a formé d'autres liens**  d. **La position des queues d'histones** Ces mécanismes permettent à la cellule de compacter efficacement son ADN tout en régulant l'expression génique et en protégeant le matériel génétique. Enroulement de l'ADN : L'ADN s'enroule autour du noyau d'histones, formant environ 1,65 tour autour de l'octamère d'histones. [[Cet enroulement est nécessaire pour la formation correcte du nucléosome et pour la compaction de l'ADN dans le noyau^1^](https://fr.wikipedia.org/wiki/Nucl%C3%A9osome)[^2^](https://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209070/chromatine-organisation-fonctionnelle-du-g-nome)]. Ces interactions permettent au nucléosome de jouer son rôle dans la compaction de l'ADN et la régulation de l'expression génique. **Acétylation** : **cache la charge '+' sur les lysines des histones** et donc il y a une **perte d'interaction avec l'ADN chargé '-'** (=perte des liens ioniques) = l'ADN se détache ( car il n'est plus attiré par la charge positive) et donc moins condensé **Phosphorylation:** le P ajouté sur les sérines et il va neutraliser une charge '+' voisine de la lysine ou d'arginine. Le P peut aussi augmenter l'effet de répulsion de l'ADN (en ajoutant plus de charges '-'). **Méthylation et ubiquitination** : L'ajout de ces groupements rend l'histone compatible à d'autres protéines (plateforme de recrutement pour les autres; = permettent les changements de configuration de la queue N la rendant complémentaire à d'autres protéines... ou d'autres possibilités avec interaction protéine-protéine).  Positionnement du nucléosome **Les interactions avec l'ADN sont dynamiques et non spécifiques à des séquences. ¬ L'assemblage d'un nucléosome nécessite une certaine longueur d'ADN, (au moins150 pb: core+linker): assez d'ADN = formation d'un nucléosome par-dessus.** **Inhibition du positionnement: - des protéines lient l'ADN à des intervalles inférieurs à 150 pb. -ADN facilement accessible.** **Assemblage préférentiel: - des protéines se lient aux nucléosomes existants et aident au recrutement d'autres nucléosomes dans la région** **2.4. Les fibre 11 nm et 30 nm** **a) Euchromatine** **Nucléosome essentiel au maintien des niveaux de compaction supérieurs.** Une cellule eucaryote nécessite une compaction d'ADN d'un facteur de 1000 ou 10 000, l'assemblage en nucléosomes ne permet qu'un facteur de 6. **La condensation de l'ADN continue et les étapes suivantes impliquent l'organisation spatiale des nucléosomes construits.** **Euchromatine :** constituée de fibres étendues de 11 nm d'épaisseur. **¬ L'histone H1 interagit avec l'ADN intercalaire (linker) entre les nucléosomes et avec une partie de l'ADN autour du nucléosome : permet effet de resserrer les nucléosomes entre eux et d'enrouler 20 pb de plus.**  **b) Hétérochromatine** **Les queues-N des histones des nucléosomes adjacents forment de nombreuses interactions : permet aux nucléosomes de se rapprocher davantage: 2 modèles possibles, le solénoïde et le zigzag.** **Organisation spatiale des nucléosomes= plus de repliement** **H1 permet plus de compaction.** **L'hétérochromatine** peut s'organiser en **boucles** ("DNA loops") de 40-90 kb. **Les protéines Sir** se lient sur les nucléosomes des fibres 30 nm. Ces protéines sont **auto-complémentaires** (se lient entre elles). ¬ La fibre 30 nm se plie donc sur elle-même.  **La base de chaque boucle formée par les protéines Sir**, est s**tabilisée** par des agrégats protéiques appelés « nuclear scaffold » (**échafaudage nucléaire).** **Les protéines de l'échafaudage nucléaire:** **o les topoisomérases II:** participent dans le maintien de la structure et s'assurent que les **boucles demeurent séparées** l'une de l'autre = éviter les nœuds **o les protéines SMC ou condensines: pinces auto-complémentaires (**les protéines similaires, cohésines, sont impliquées dans l'agencement de 2 chromatides sœurs en 1 chromosome mitotique) **=maintenir dans un état condensé** c. **Le chromosome mitotique** d. **ADN extra chromosomique** - Existent en **plusieurs copies par organite**, - **Réplication indépendante** du reste de la cellule - **Transmission non mendélienne** - **Génomes circulaires** - Séquences ressemblant aux génomes bactériens. **Chapitre 3 : La réplication** **3.1. Le Cycle cellulaire eucaryote** Le cycle de division cellulaire (CDC) a 4 phases : o La phase S (réplication d'ADN) se situe entre 2 phases « gap » o Les phases G1 et G2. o La phase M (mitose + cytokinèse) Durant le CDC, le noyau subit des changements majeurs ainsi que l'ADN qu'il contient: **la disparition-reconstruction du noyau, la réplication et la condensation d'ADN en chromosomes mitotiques**, la séparation des chromatides sœurs.   Les points de contrôle dépendent des signaux du cycle cellulaire. **Les signaux du cycle cellulaire: Cdk (cycline dépendant kinase) et cyclines** **CDK jouent un rôle crucial dans la régulation du cycle cellulaire** **[[Régulation du cycle cellulaire : Les CDK sont essentielles pour contrôler les différentes phases du cycle cellulaire, notamment les transitions entre les phases G1, S, G2 et M^1^]](https://fr.wikipedia.org/wiki/Kinase_d%C3%A9pendante_des_cyclines).** 1. **Association avec les cyclines : Les CDK doivent se lier à des protéines régulatrices appelées cyclines pour être activées. [[Cette association permet aux CDK de phosphoryler des substrats spécifiques, ce qui est crucial pour la progression du cycle cellulaire^1^]](https://fr.wikipedia.org/wiki/Kinase_d%C3%A9pendante_des_cyclines).** 2. **[[Rôle dans la transcription et la différenciation cellulaire : En plus de leur rôle dans le cycle cellulaire, certaines CDK sont impliquées dans la régulation de la transcription, le traitement des ARN messagers et la différenciation des cellules nerveuses^1^]](https://fr.wikipedia.org/wiki/Kinase_d%C3%A9pendante_des_cyclines).** **Phosphoryle (active)** **différentes protéines nécessaires à la réplication d'ADN.** 1. **La phosphorylation peut activer ou désactiver des enzymes et d'autres protéines, modifiant ainsi leur fonction et leur activité.** 2. **Elle joue un rôle central dans les voies de signalisation cellulaire, permettant aux cellules de répondre à divers stimuli externes.** **3.2. L'ouverture de la double hélice : origine de réplication et hélicase**  **La double hélice d'ADN sert de matrice** pour sa propre réplication: les nucléotides d'un "nouveau" brin sont insérés selon **la complémentarité** des bases avec le "vieux" brin -- brin matrice. **Il est nécessaire d'ouvrir la double hélice initiale pour rendre accessibles ses 2 brins à la réplication**. L**'ouverture** doit se faire dans les **régions spécifiques**, appelées **origines de réplication (ORI).** ¬ Un organisme peut avoir une seule ORI par chromosome (procaryote) ou plusieurs (eucaryote) a. **Origine de réplication** b. **Chez les procaryotes** c. **Chez les eucaryotes** 1. **La phase G1 est une période de croissance** cellulaire et de préparation pour la réplication de l'ADN. La transition vers **la phase S**, où l'ADN est effectivement r**épliqué,** **est marquée par l'activation des kinases** dépendantes des cyclines (CDK). [[Ces enzymes jouent un rôle crucial en phosphorylant des protéines spécifiques pour initier la réplication de l'ADN^1^]](https://planet-vie.ens.fr/thematiques/cellules-et-molecules/cycle-cellulaire/la-regulation-du-cycle-cellulaire). 2. **Niveau élevé de CDK** : Une fois activées, les CDK restent à un niveau élevé jusqu'à la fin de la division cellulaire. Cela garantit que le complexe pré-réplicatif (pré-RC), qui se forme en G1, se transforme en un complexe réplicatif actif en phase S. [[Ce processus empêche également la formation de nouveaux complexes pré-RC, assurant ainsi que chaque segment d'ADN est répliqué une seule fois par cycle cellulaire^1^]](https://planet-vie.ens.fr/thematiques/cellules-et-molecules/cycle-cellulaire/la-regulation-du-cycle-cellulaire). - Des séquences riches en AT ou en ilots CpG - Une structure d'ADN particulière - Des régions libres de nucléosomes - Des régions impliquées dans l'initiation de la transcription. **Les ORI ne sont pas déclenchées en même temps: Complexification en fonction du développement et des stress.** d. **Hélicase et topoisomérases** - **Stabilisent les 2 brins séparés** de l'ADN matriciel **jusqu'à la synthèse des nouveaux brins complémentaires.** - **Empêchent la formation d'épingles** par appariement de nucléotides complémentaires dans le même brin d'ADN. La formation d'épingles bloquerait la réplication. 1. Point de départ : **L'ADN polymérase ne peut pas commencer la synthèse d'un brin d'ADN** de novo (**à partir de rien**). Elle a besoin d'une extrémité 3'-OH libre pour ajouter des nucléotides. [[L'amorce fournit cette extrémité nécessaire^1^]](https://fr.wikipedia.org/wiki/ADN_polym%C3%A9rase). 2. Amorce d'ARN : Lors de la réplication de l'ADN, une enzyme appelée primase synthétise une courte séquence d'ARN (l'amorce) qui est complémentaire au brin matrice. [[Cette amorce sert de point de départ pour l'ADN polymérase^1^]](https://fr.wikipedia.org/wiki/ADN_polym%C3%A9rase). 3. [[Stabilité et précision : L'utilisation d'une amorce permet à l'ADN polymérase de commencer la synthèse de manière stable et précise, en s'assurant que les nucléotides sont ajoutés correctement^1^]](https://fr.wikipedia.org/wiki/ADN_polym%C3%A9rase). 1. **Rupture du lien avec le premier phosphate (P) : Lorsqu'un nucléotide est ajouté à la chaîne d'ADN, il est sous forme de nucléoside triphosphate (comme l'ATP, qui a trois groupes phosphates). La rupture du lien entre le premier phosphate et les deux autres (pyrophosphate) libère de l'énergie. [[Cette énergie est utilisée pour former une liaison phosphodiester entre le nucléotide entrant et la chaîne d'ADN en croissance](https://bing.com/search?q=Besoin+d%e2%80%99%c3%a9nergie+pour+ajouter+des+nucl%c3%a9otides)[^1^](https://bing.com/search?q=Besoin+d%E2%80%99%C3%A9nergie+pour+ajouter+des+nucl%C3%A9otides)].** 2. **Rupture du lien dans le pyrophosphate : Le pyrophosphate (les deux phosphates restants) est ensuite hydrolysé par une enzyme appelée pyrophosphatase. [[Cette hydrolyse libère encore plus d'énergie](https://bing.com/search?q=Besoin+d%e2%80%99%c3%a9nergie+pour+ajouter+des+nucl%c3%a9otides)[^1^](https://bing.com/search?q=Besoin+d%E2%80%99%C3%A9nergie+pour+ajouter+des+nucl%C3%A9otides)].** 3. **Processus couplé et irréversibilité : Ces deux étapes sont couplées, ce qui signifie qu'elles se produisent ensemble pour fournir suffisamment d'énergie pour rendre la réaction d'ajout de nucléotides irréversible. [[Cela garantit que la synthèse de l'ADN progresse de manière efficace et sans retour en arrière](https://bing.com/search?q=Besoin+d%e2%80%99%c3%a9nergie+pour+ajouter+des+nucl%c3%a9otides)[^1^](https://bing.com/search?q=Besoin+d%E2%80%99%C3%A9nergie+pour+ajouter+des+nucl%C3%A9otides)].** L**es ADN polymérases distinguent rNTP et dNTP**: Bien que les rNTPs soient présents dans les cellules à des concentrations environ dix fois plus élevées que celles des dNTPs, ils sont incorporés à un taux plus de 1 000 fois plus basse. **Cette discrimination est due à l'exclusion stérique des rNTPs du site actif de l'ADN** **polymérase.**  **Sélectivité cinétique**: n'importe quel nouveau nucléotide peut entrer dans l'ADN pol, mais seulement le nucléotide qui arrive à faire un bon appariement avec le nucléotide de la matrice est dans une bonne position pour permettre la catalyse de son P est alors adjacent à 3'-OH. Cette phrase décrit un aspect crucial de la fidélité et de la précision de la synthèse de l'ADN. Voici une explication détaillée : 1. **Appariement des nucléotides** : Lors de la réplication de l'ADN, chaque nouveau nucléotide doit s'apparier correctement avec le nucléotide complémentaire sur le brin matrice. [[Par exemple, l'adénine (A) s'apparie avec la thymine (T) et la cytosine © s'apparie avec la guanine (G)^1^]](https://www.elsevier-masson.fr/media/wysiwyg/PDF/FR/9782294779695.pdf). 2. **Position pour la catalyse** : Seul le nucléotide qui s'apparie correctement avec le nucléotide de la matrice est positionné de manière optimale pour que l'ADN polymérase puisse catalyser la formation de la liaison phosphodiester. [[Cette liaison se forme entre le groupe phosphate (P) du nouveau nucléotide et le groupe hydroxyle (3'-OH) du dernier nucléotide du brin en croissance^1^]](https://www.elsevier-masson.fr/media/wysiwyg/PDF/FR/9782294779695.pdf). 3. **Adjacence du groupe phosphate et du 3'-OH** : Pour que la réaction de catalyse se produise, le groupe phosphate du nouveau nucléotide doit être adjacent au groupe 3'-OH du nucléotide précédent. [[Cette proximité permet la formation de la liaison phosphodiester, allongeant ainsi la chaîne d'ADN^1^]](https://www.elsevier-masson.fr/media/wysiwyg/PDF/FR/9782294779695.pdf). En résumé, cette phrase souligne l'importance de l'appariement correct des nucléotides pour la précision de la réplication de l'ADN. Seuls les nucléotides correctement appariés sont dans la bonne position pour permettre la formation de la liaison nécessaire à l'élongation du brin d'ADN. La forme de l'ADN pol ressemble à une main qui tient l'ADN avec 3 domaines : o la paume: site catalytique et **vérification de l'appariement** via le **sillon mineur** (ralentissement si erreur) o les doigts: plient l'ADN matrice pour **exposer 1 nucléotide à la fois** et **referment** la main en cas du "**bon"** nucléotide dans la paume o le pouce: aide à tout **retenir ensemble** en s'attachant à la charpente sucre-P (cela joue un rôle dans la processivité de l'enzyme  Le site catalytique de la paume est formé **d'ions métalliques** (Mg2+ et Zn2+) qui permettent: o de favoriser l'interaction entre l'amorce et le nouveau nt en préparant l'O à « l'attaque » o de stabiliser le pyrophosphate produit en neutralisant les charges négatives. Les ions métalliques (Mg²⁺ et Zn²⁺) dans le site catalytique de l'ADN polymérase jouent un rôle crucial en préparant l'atome d'oxygène (O) du groupe hydroxyle (3'-OH) pour l'attaque nucléophile. Cela signifie que l'oxygène est activé pour attaquer le groupe phosphate du nouveau nucléotide entrant, facilitant ainsi la formation de la liaison phosphodiester. En résumé, le "O" dans cette phrase se réfère à l'atome d'oxygène du groupe hydroxyle à l'extrémité 3' de l'amorce, qui est préparé pour attaquer le groupe phosphate du nouveau nucléotide, permettant ainsi l'élongation de la chaîne d'ADN.  Une **nucléase** est **une enzyme qui coupe les acides nucléiques** (ADN ou ARN) en séparant les liaisons phosphodiesters entre les nucléotides. **Types de nucléases** : - [[**Endonucléases** : Elles coupent les liaisons phosphodiesters à l'intérieur des chaînes d'ADN ou d'ARN, créant des fragments plus petits^1^]](https://www.futura-sciences.com/sante/definitions/biologie-nuclease-9024/). - [[**Exonucléases** : Elles détachent les nucléotides situés aux extrémités des chaînes d'ADN ou d'ARN, en les dégradant progressivement^1^]](https://www.futura-sciences.com/sante/definitions/biologie-nuclease-9024/). Exonucléases: nucléases qui ne peuvent dégrader l'ADN qu'à partir d'une extrémité Endonucléases: nucléases qui peuvent couper l'ADN en cours de chaîne. **Un brin continu et discontinu par fourche: la conséquence d'un besoin en 3'-OH.** **Brin continu (directeur, brin de tête, précoce, avancé, leading strand) : Brin qui peut être synthétisé en continu par l'ADN polymérase avec 1 amorce. L'ADN pol avance en même temps et dans la même direction que la fourche de réplication.** **Brin discontinu (brin de queue, tardif, retardé, en retard, lagging strand) :La polymérase se déplace sur le brin matrice 3' → 5', s'éloigne de la fourche en synthétisant un court fragment d'ADN = fragment d'Okazaki. Au fur et à mesure que l'oeil de réplication s'agrandit, la synthèse d'un nouveau fragment démarre: plusieurs amorces.**   **3.4. La coordination des événements** **Holoenzyme:** terme général décrivant un **complexe multiprotéique dans lequel une enzyme « noyau » est associée à des partenaires qui renforcent son activité.** **Les ADN polymérases travaillant sur chacun des brins à polymériser, sont associées entre elles via le complexe de réplication ou réplisome. Le réplisome avance dans le sens de la fourche de réplication, malgré le caractère antiparallèle de l'ADN.** La coordination des événements chez **E. coli** (la mieux étudiée) : 2 ADN polymérases sont liées entre elles et forment un large complexe protéique nommé **ADN pol III holoenzyme**. Le brin discontinu est plié en boucle pour respecter la lecture de 3' vers 5' et la synthèse de 5' vers 3'. **L'holoenzyme + les autres protéines essentielles à la machinerie de réplication = réplisome.** a. **Le réplisome chez E. coli o réplisome** **Chez E. coli, action coordonnée de 2 ou 3 polymérases (selon les modèles) sur le brin continu et le brin discontinu.**  b. **Chez les eucaryotes** **o Les mêmes fonctions sont remplies par une plus grande variété de protéines et de complexes. o Les modifications post-traductionnelles (Cdk) dépendantes du cycle cellulaire assurent l'assemblage du réplisome.** **Les nucléosomes se réassemblent (les anciens) et s'assemblent (les nouveaux) aussitôt que la réplication produit des nouveaux brins.** **La réplication de l\'ADN est semi-conservative.** **Les « anciens » nucléosomes sont partagés entre 2 nouveaux brins.** **Les « nouveaux » nucléosomes sont recrutés par le clamp (indique un nouvel ADN) et s'assemblent entre les « vieux » à partir des intermédiaires solubles.** **La conservation des "anciens" nucléosomes permet de maintenir l'identité de la cellule.** **Le passage de la machinerie de réplication nécessite un désassemblage partiel des nucléosomes :** - Les **H3-H4** tétramères restent **attachés** et **transfèrent sur un nouvel** **ADN après la réplication**. Ils sont d**istribués** de manière **aléatoire** entre les deux chromatides sœurs (mais une distribution conservative a été observée également). - Les dimères **H2A-H2B** **quittent** et se r**éassemblent** après la réplication (ls vont revenir de façon aléatoire et vont être en compétition avec de nouveaux dimère (H2A, H2B)). L'ancien" **H3-H4 tétramère reste attaché au réplisome et non à l'ADN directement.** **3.5. La réplication des extrémités** **a) Chez les procaryotes** **Séparation des chromosomes circulaires :** Quand **la réplication d'un chromosome circulaire est terminée**, les deux **molécules filles** restent **liées** comme deux maillons d'une chaîne. **La séparation** est **assurée par une ADN topoisomérase de type II**. Cette enzyme a la capacité de couper l'ADN db et de passer une deuxième molécule d'ADN db à travers cette coupure. Cette réaction permet de séparer les deux chromosomes et de rendre leur ségrégation possible.  c. **Chez les eucaryotes** **Les bouts des chromosomes linéaires :** Comme les **ADN polymérases ont besoin d'une amorce**, **l'extrémité 3' d'un chromosome linéaire ne peut pas être répliqué.** La dernière amorce sur le brin discontinu est excisée et la polymérase n'a pas de 3'OH nécessaire pour combler le vide. Il en résulterait **un raccourcissement progressif du chromosome à chaque génération cellulaire (chaque réplication ).** **La solution** réside dans les **enzymes télomérases**. Elles sont actives dans les cellules souches et dans les cellules germinales. **Télomérase** = une polymérase qui contient un ARN. **Elle utilise sa partie ARN comme matrice pour allonger l'extrémité 3' des chromosomes :** Elle ajoute des nucléotides en 3' d'un brin en formation. **Elle fait des séquences répétitives (télomères) complémentaires à sa propre matrice.** **Les télomères rallongent le bout 3'** et cet espace sert à faire un autre fragment Okazaki sur le brin 5'. Le bout 3' qui dépasse est protégé par une protéine ou il fait une boucle pour se « cacher ».   **Boucle de rétrocontrôle négatif: plus le télomère est long, moins la télomérase est active** La **T-loop** joue un rôle crucial dans la protection des extrémités des chromosomes et la prévention de la réparation inappropriée de l'ADN. **Structure protectrice** : La T-loop est formée lorsque l'extrémité 3' simple brin du télomère s'invagine et s'apparie avec une région complémentaire du double brin d'ADN télomérique, créant une boucle. [[Cette structure masque l'extrémité du chromosome^1^]](https://www.nature.com/scitable/content/t-loops-and-the-origin-of-telomeres-26791/). **Prévention de la reconnaissance comme bris d'ADN** : Les extrémités des chromosomes pourraient être confondues avec des cassures double brin par les mécanismes de réparation de l'ADN. [[La formation de la T-loop cache ces extrémités, empêchant ainsi les enzymes de réparation de les reconnaître comme des dommages à réparer](https://www.nature.com/scitable/content/t-loops-and-the-origin-of-telomeres-26791/)[^2^](https://en.wikipedia.org/wiki/Telomere)]. **Stabilisation par des protéines** : Des protéines spécifiques, comme celles du complexe shelterin, se lient aux télomères et stabilisent la T-loop. [[Ces protéines jouent un rôle clé en empêchant les mécanismes de réparation de l'ADN de traiter les télomères comme des cassures double brin^2^]](https://en.wikipedia.org/wiki/Telomere). En résumé, la T-loop protège les extrémités des chromosomes en les masquant et en empêchant leur reconnaissance par les systèmes de réparation de l'ADN, évitant ainsi des réparations inappropriées qui pourraient entraîner des fusions chromosomiques ou des pertes de matériel génétique. Sans l'action de télomérases, on assiste à un raccourcissement progressif du chromosome à chaque génération cellulaire (**vieillissement cellulaire**). **Les télomérases sont actives dans les cellules souches et dans les cellules germinales**. **Leur « activité » est programmée et change au fur et à mesure du développement.** Ainsi, les cellules souches ont une limite de multiplication, au-delà de laquelle, les télomérases sont désactivées.