Ressources · 1ʳᵉ · Spécialité SVT
Réplication de l’ADN : un mécanisme semi-conservatif
Chromatide et molécule d’ADN, longueur de l’ADN d’un chromosome et d’une cellule ; réplication semi-conservative pendant la phase S, ADN polymérase et brin complémentaire ; expérience de Meselson et Stahl ; origines, yeux et fourches de réplication ; vitesse et durée de la réplication chez une bactérie et chez l’être humain ; PCR et nombre de copies.
À propos de cette page
Chromosome, chromatide et molécule d’ADN
Rappel. En 2de, tu as vu que l’ADN est une double hélice de deux brins de nucléotides (A, T, G, C) associés par complémentarité, A face à T et G face à C, et que deux paires voisines sont séparées d’environ 0,34 nm (« ADN : le support de l’information génétique »). Le chapitre « Divisions cellulaires » montre qu’après la phase S chaque chromosome compte deux chromatides.
— Un chromosome à une chromatide contient donc une molécule d’ADN ; un chromosome à deux chromatides en contient deux, identiques, issues de la copie de la première pendant la phase S.
— Une cellule humaine compte 46 chromosomes : 46 molécules d’ADN en phase G1, 92 après la phase S.
— Longueur d’une molécule d’ADN = nombre de paires de nucléotides × 0,34 nm. Les quelque 6,4 × 10⁹ paires d’une cellule humaine forment environ 2 m d’ADN, rangés dans un noyau de quelques micromètres.
Une démarche historique : l’ADN est dans les chromosomes
Vers 1880, Walther Flemming nomme chromatine la substance du noyau qui fixe fortement les colorants ; pendant la division, elle forme des filaments, que l’on appellera chromosomes. En 1924, Robert Feulgen et Heinrich Rossenbeck mettent au point une coloration spécifique de l’ADN (réaction de Feulgen, qui le teinte en rouge violacé et ne colore pas l’ARN) : les chromosomes en division sont colorés, l’ADN est donc un constituant des chromosomes. L’analyse chimique de la chromatine y trouve de l’ADN et des protéines. Le rôle de l’ADN comme support de l’information génétique avait été vu en 4e et en 2de.
Longueur de l’ADN d’un chromosome. Le chromosome 13 humain compte environ 1,14 × 10⁸ paires de nucléotides. Longueur de sa molécule d’ADN : 1,14 × 10⁸ × 0,34 = 3,876 × 10⁷ nm, soit 38,76 mm, environ 3,9 cm, pour un chromosome de quelques micromètres en métaphase.
L’ADN d’une cellule. 6,4 × 10⁹ × 0,34 = 2,176 × 10⁹ nm = 2,176 m. Comparé à un noyau de 6 µm de diamètre (valeur choisie) : 2,176 m = 2,176 × 10⁶ µm, et 2,176 × 10⁶ ÷ 6 ≈ 3,6 × 10⁵ : l’ADN est environ 360 000 fois plus long que le diamètre du noyau.
Réflexe — une chromatide = une molécule d’ADN ; longueur = paires × 0,34 nm, puis je convertis (1 mm = 10⁶ nm, 1 µm = 10³ nm) avant de comparer.
Attention — un chromosome à deux chromatides contient deux molécules d’ADN, pas une ; et 0,34 nm sépare deux paires : on multiplie le nombre de paires, pas le nombre de nucléotides des deux brins.
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La réplication semi-conservative
— Les deux brins de la double hélice se séparent : les liaisons entre bases complémentaires se rompent.
— Chaque brin sert de matrice : l’ADN polymérase assemble en face un brin neuf, en ajoutant un à un des nucléotides libres selon la complémentarité des bases (A face à T, G face à C). Le brin neuf est antiparallèle à la matrice : face à une matrice lue de 3’ vers 5’, il s’écrit de 5’ vers 3’. Le brin neuf s’allonge toujours dans le sens 5’ → 3’.
— On obtient deux molécules formées chacune d’un brin ancien et d’un brin neuf : la réplication est semi-conservative. Les deux molécules ont la même séquence que la molécule initiale.
Conséquence : les deux chromatides d’un chromosome sont identiques ; la mitose en sépare une dans chaque cellule fille, qui reçoit donc exactement la même information génétique. Des mitoses successives produisent un ensemble de cellules génétiquement identiques, un clone (voir « Divisions cellulaires »).
Écrire le brin neuf. Brin matrice 3’-TTAGCCAT-5’ → brin néosynthétisé 5’-AATCGGTA-3’ : chaque base est remplacée par sa complémentaire, et l’orientation est inversée.
Compter les nucléotides incorporés. Une molécule de 500 paires contient 140 paires A–T et 360 paires G–C. Pour la répliquer, l’ADN polymérase assemble deux brins neufs, soit 2 × 500 = 1 000 nucléotides. Chaque paire A–T de la molécule mère donne un T neuf (face au A) et un A neuf (face au T) : 140 T et 140 A ; de même 360 G et 360 C. Total : 140 + 140 + 360 + 360 = 1 000.
Réflexe — complémentaire (A↔T, G↔C) ET antiparallèle : j’inverse les extrémités 5’ et 3’ ; chaque molécule fille = un brin ancien + un brin neuf.
Attention — « semi-conservative » ne veut pas dire que chaque brin est à moitié ancien : un brin est entièrement ancien, l’autre entièrement neuf. Et une molécule fille n’est jamais entièrement neuve, même si sa séquence est identique à celle de la mère.
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L’expérience historique de Meselson et Stahl
— conservatif : la molécule mère reste intacte, la molécule fille est entièrement neuve ;
— semi-conservatif : chaque molécule fille associe un brin ancien et un brin neuf ;
— dispersif : chaque brin mêle des fragments anciens et des fragments neufs.
En 1958, Matthew Meselson et Franklin Stahl cultivent des bactéries Escherichia coli sur un milieu dont la seule source d’azote est l’isotope lourd ¹⁵N : tout leur ADN devient « lourd ». Ils les transfèrent sur un milieu à azote léger ¹⁴N et extraient l’ADN après chaque génération. Centrifugé dans un gradient de chlorure de césium, l’ADN forme une bande à la hauteur de sa densité : lourde (¹⁵N/¹⁵N), intermédiaire (¹⁵N/¹⁴N) ou légère (¹⁴N/¹⁴N).
Figure 1 — Les molécules prévues par chaque modèle après une et deux réplications en ¹⁴N, à partir d’une molécule ¹⁵N/¹⁵N.
| Génération en ¹⁴N | Bandes observées | Ce que l’on en tire |
|---|---|---|
| 0 | une bande lourde | ADN ¹⁵N/¹⁵N |
| 1 | une seule bande, intermédiaire | modèle conservatif rejeté (il prévoyait une bande lourde et une légère) |
| 2 | moitié intermédiaire, moitié légère | modèle dispersif rejeté (il prévoyait une bande unique, plus légère que l’intermédiaire) |
Une preuve de plus. Chauffé, l’ADN de la génération 1 se sépare en brins simples : on obtient des brins entièrement ¹⁵N et des brins entièrement ¹⁴N, en quantités égales, et aucun brin mixte. Seul le modèle semi-conservatif explique tous ces résultats. En 1957, J. Herbert Taylor avait obtenu la même conclusion à l’échelle des chromosomes d’une plante, la fève, en marquant l’ADN neuf par de la thymidine radioactive : après un cycle dans le marqueur, les deux chromatides de chaque chromosome sont marquées ; après un second cycle sans marqueur, une seule l’est.
Prévoir après trois réplications. Une molécule ¹⁵N/¹⁵N répliquée 3 fois en ¹⁴N donne 23 = 8 molécules. Semi-conservatif : les deux brins lourds d’origine sont chacun dans une molécule, d’où 2 hybrides et 6 légères (25 % d’hybrides). Conservatif : 1 lourde et 7 légères. Dispersif : 8 molécules contenant chacune 1/8 de ¹⁵N, une seule bande.
Calculer une densité. Densités de référence : ¹⁵N/¹⁵N = 1,724 g/mL ; ¹⁴N/¹⁴N = 1,710 g/mL ; écart 0,014 g/mL. Un ADN qui contient une fraction f d’azote lourd a pour densité 1,710 + 0,014 × f. Dans le modèle dispersif, la bande unique de la génération 3 (1/8 de ¹⁵N) serait à 1,710 + 0,014 ÷ 8 = 1,71175 g/mL.
Réflexe — pour chaque modèle, je prévois les bandes à la génération étudiée, je compare au résultat, je rejette tout modèle dont la prévision diffère.
Attention — une bande intermédiaire unique à la génération 1 ne prouve pas le modèle semi-conservatif : elle rejette seulement le conservatif, le dispersif prévoit aussi une bande intermédiaire. Il faut la génération 2, ou le chauffage, pour trancher.
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Origines, yeux et fourches de réplication
— Les deux fourches progressent en sens opposés ; à chacune, l’ADN polymérase copie les deux brins séparés. L’œil s’agrandit, puis les yeux voisins se rejoignent : toute la molécule est copiée une fois, et une seule.
— Chez une bactérie, le chromosome est une molécule d’ADN circulaire qui possède une seule origine. En 1963, John Cairns photographie par autoradiographie des chromosomes d’E. coli en cours de copie : un cercle traversé par une boucle, en forme de lettre grecque θ (thêta).
— Chez un eucaryote, chaque molécule d’ADN, bien plus longue, possède de nombreuses origines, actives pendant la même phase S : en microscopie électronique, une molécule en cours de copie montre de nombreux yeux côte à côte.
Le détail des enzymes qui accompagnent l’ADN polymérase n’est pas au programme.
Figure 2 — En haut, un œil de réplication : deux fourches partent de l’origine en sens opposés. En bas, plusieurs yeux sur une molécule d’eucaryote, et un chromosome circulaire de bactérie en forme de θ.
Lire la taille d’un œil. Sur une image, un œil mesure 1,7 µm de long, soit 1 700 nm. Il contient 1 700 ÷ 0,34 = 5 000 paires déjà copiées ; si les deux fourches avancent à la même vitesse, chacune a copié 2 500 paires depuis l’origine, placée au milieu.
Compter les fourches. Une molécule montre 7 yeux séparés : 7 × 2 = 14 fourches au travail. Deux yeux voisins qui se rejoignent font disparaître deux fourches.
Réflexe — une origine → un œil → deux fourches qui s’éloignent ; bactérie : une origine ; eucaryote : beaucoup d’origines.
Attention — une fourche n’est pas une origine : l’origine est au centre de l’œil, les fourches sont à ses deux bords. Et un œil contient déjà de l’ADN copié : deux molécules filles, encore reliées aux deux bouts.
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Vitesse et durée de la réplication
— Durée de réplication d’une molécule à une origine : les deux fourches se partagent la molécule, chacune en copie la moitié. Durée = (longueur ÷ 2) ÷ vitesse.
— Avec n origines régulièrement espacées, chaque fourche ne copie que longueur ÷ (2n) : la réplication est n fois plus courte.
— Le chromosome d’E. coli (4,6 × 10⁶ paires, une origine) est copié en une quarantaine de minutes. Une molécule d’ADN humaine, 10 à 50 fois plus longue et copiée par des fourches bien plus lentes, demanderait des jours, voire des semaines, avec une seule origine : les nombreuses origines permettent de tout copier pendant la phase S, qui dure environ 8 h dans une cellule humaine en culture.
Durée chez E. coli. Chaque fourche copie 4,6 × 10⁶ ÷ 2 = 2,3 × 10⁶ nucléotides, à 1 000 par seconde : 2,3 × 10⁶ ÷ 1 000 = 2 300 s, soit 2 300 ÷ 60 ≈ 38 min.
Nombre minimal d’origines. Le chromosome 13 humain (1,14 × 10⁸ paires) doit être copié en 8 h = 28 800 s, par des fourches à 20 nucléotides par seconde (valeur choisie). Une origine (deux fourches) copie en 8 h : 2 × 20 × 28 800 = 1 152 000 = 1,152 × 10⁶ paires. 1,14 × 10⁸ ÷ (1,152 × 10⁶) ≈ 98,96 : il faut au moins 99 origines.
Réflexe — je convertis tout dans les mêmes unités (s ou min, nucléotides), je n’oublie pas les deux fourches par origine, et j’arrondis un nombre minimal d’origines à l’entier supérieur.
Attention — diviser la longueur par la vitesse sans la partager entre les deux fourches double la durée. Et 98,96 origines ne suffisent pas : on arrondit à 99, jamais à 98.
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La PCR : la réplication dans un tube
— dénaturation vers 95 °C : les deux brins se séparent ;
— hybridation vers 50 à 65 °C : les amorces s’associent aux brins par complémentarité ;
— élongation vers 72 °C, où la Taq polymérase est très active (son optimum se situe vers 75 à 80 °C) : elle assemble les brins neufs.
Chaque cycle est une réplication semi-conservative : en théorie, le nombre de copies double à chaque cycle. Avec N0 copies au départ, après n cycles : N = N0 × 2n. La PCR sert au diagnostic (détecter l’ADN d’un microbe), à l’identification génétique, à la recherche.
Durée d’un programme. Un cycle : 20 s à 95 °C, 40 s à 58 °C, 45 s à 72 °C, soit 105 s. Après 3 min de dénaturation initiale, 20 cycles : 20 × 105 s = 2 100 s, soit 35 min ; en tout, 3 + 35 = 38 min.
Nombre de copies. 50 copies au départ, 12 cycles : 2¹² = 4 096 et 50 × 4 096 = 204 800 copies. Pour un ordre de grandeur sans calculatrice : 210 = 1 024 ≈ 10³, donc 20 cycles multiplient le nombre de copies par environ 10⁶.
Réflexe — copies = N0 × 2n ; durée = étapes fixes + n × durée d’un cycle ; 95 °C sépare, 50-65 °C fixe les amorces, 72 °C copie.
Attention — le nombre de copies est multiplié par 2 à chaque cycle, il n’augmente pas de 2 : après 12 cycles, c’est × 4 096, pas × 24. Et une polymérase ordinaire serait détruite dès la première dénaturation à 95 °C : d’où la Taq polymérase.
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Pour aller plus loin
Ces notions prolongent le chapitre, mais elles sont traitées dans d’autres chapitres.
- Les erreurs de copie (mutations spontanées et induites, agents mutagènes, réparation de l’ADN, mutations somatiques et germinales, diversité des allèles) : chapitre « Mutations : origine et variabilité génétique ».
- Le cycle cellulaire, la mitose et la méiose (phases G1, S, G2, chromatides, clone) : chapitre « Divisions cellulaires : cycle cellulaire, mitose et méiose ».
- La lecture de l’ADN (transcription en ARN, code génétique, traduction) : chapitre « Expression génétique : transcription, épissage, traduction ».
- Chaque chromatide est une longue molécule d’ADN associée à des protéines ; un chromosome à deux chromatides contient deux molécules d’ADN identiques. Longueur = paires × 0,34 nm : environ 2 m d’ADN par cellule humaine.
- Pendant la phase S, chaque brin sert de matrice à l’ADN polymérase, qui assemble un brin neuf complémentaire et antiparallèle : chaque molécule fille associe un brin ancien et un brin neuf (réplication semi-conservative) et conserve la séquence de la molécule initiale.
- L’expérience de Meselson et Stahl (1958, ¹⁵N puis ¹⁴N, centrifugation) rejette le modèle conservatif dès la génération 1 et le modèle dispersif à la génération 2 : la réplication est semi-conservative.
- La réplication part d’origines : un œil de réplication s’ouvre, bordé de deux fourches qui avancent en sens opposés. Une origine chez la bactérie (chromosome circulaire, θ), de nombreuses chez les eucaryotes.
- Durée = (longueur ÷ 2) ÷ vitesse pour une origine ; environ 1 000 nucléotides par seconde chez E. coli, 15 à 50 chez l’être humain : les nombreuses origines permettent de copier tout le génome en quelques heures.
- La PCR reproduit la réplication dans un tube (dénaturation vers 95 °C, hybridation des amorces, élongation vers 72 °C par la Taq polymérase) : N = N₀ × 2ⁿ copies après n cycles. La mitose de deux chromatides identiques donne des cellules identiques, un clone.
Questions fréquentes
Combien de molécules d’ADN contient un chromosome ?
Chaque chromatide est une seule longue molécule d’ADN, associée à des protéines. Un chromosome à une chromatide contient donc une molécule ; après la phase S, un chromosome à deux chromatides en contient deux, identiques. Une cellule humaine compte 46 molécules en G1, 92 en G2, soit environ 2 m d’ADN en G1.
Qu’est-ce que la réplication semi-conservative de l’ADN ?
Pendant la phase S, les deux brins de la molécule se séparent et chacun sert de matrice : l’ADN polymérase assemble en face un brin neuf, complémentaire (A face à T, G face à C) et antiparallèle. Chaque molécule fille associe un brin ancien et un brin neuf, et conserve la séquence de la molécule initiale.
Qu’a montré l’expérience de Meselson et Stahl ?
En 1958, Meselson et Stahl cultivent des bactéries sur azote lourd ¹⁵N, puis sur azote léger ¹⁴N, et séparent l’ADN par centrifugation selon sa densité. Une seule bande intermédiaire à la génération 1 rejette le modèle conservatif ; une bande intermédiaire et une bande légère à parts égales à la génération 2 rejettent le modèle dispersif : la réplication est semi-conservative.
Qu’est-ce qu’un œil et une fourche de réplication ?
La réplication démarre en des points précis, les origines. La double hélice s’y ouvre en un œil de réplication, bordé de deux fourches qui avancent en sens opposés. Une bactérie a une seule origine sur son chromosome circulaire ; chaque molécule d’ADN d’un eucaryote en a de nombreuses.
Comment calcule-t-on la durée de la réplication ?
Avec une origine, les deux fourches se partagent la molécule : durée = (nombre de paires ÷ 2) ÷ vitesse d’une fourche. Chez E. coli, environ 1 000 nucléotides par seconde et une quarantaine de minutes ; chez l’être humain, des fourches bien plus lentes et de nombreuses origines, qui permettent de tout copier pendant une phase S d’environ 8 h.
À quoi sert la PCR et combien de copies donne-t-elle ?
La PCR copie en grand nombre un segment d’ADN choisi, dans un tube, par des cycles de trois étapes : dénaturation vers 95 °C, hybridation des amorces, élongation vers 72 °C par la Taq polymérase, résistante à la chaleur. En théorie, le nombre de copies double à chaque cycle : N₀ × 2ⁿ après n cycles.
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