Réplication de l’ADN : un mécanisme semi-conservatif

Complète avec un nombre de molécules d’ADN ou le mot exact.

1. Cellule humaine en phase G1 (46 chromosomes à une chromatide) : molécules d’ADN
   46 chromosomes à une chromatide : 46 molécules d’ADN.
2. La même cellule en phase G2 : molécules d’ADN
   Après la phase S, chaque chromosome a deux chromatides : 46 × 2 = 92 molécules.
3. Cellule à 2n = 20 chromosomes, en métaphase de mitose : molécules d’ADN
   En métaphase, les 20 chromosomes ont deux chromatides : 20 × 2 = 40.
4. Spermatozoïde humain (23 chromosomes à une chromatide) : molécules d’ADN
   23 : une molécule par chromosome à une chromatide.
5. Une chromatide est formée d’une molécule d’ADN associée à des
   Des protéines structurantes, autour desquelles l’ADN s’enroule et se replie.
6. La réaction de Feulgen (1924) colore spécifiquement l’ADN ; elle ne colore pas l’autre acide nucléique de la cellule, l’
   L’ARN n’est pas coloré : la réaction est spécifique de l’ADN.

Deux paires voisines sont séparées de 0,34 nm (1 mm = 10⁶ nm). Tailles des chromosomes humains arrondies d’après la séquence de référence.

1. Chromosome 4 (1,90 × 10⁸ paires) : longueur de sa molécule d’ADN, en mm :
   1,90 × 10⁸ × 0,34 = 6,46 × 10⁷ nm = 64,6 mm, soit environ 6,5 cm.
2. Chromosome 22 (5,08 × 10⁷ paires) : longueur en mm, au dixième :
   5,08 × 10⁷ × 0,34 = 1,727 2 × 10⁷ nm = 17,272 mm ≈ 17,3 mm.
3. Chromosome Y (5,7 × 10⁷ paires) : longueur en mm, au dixième :
   5,7 × 10⁷ × 0,34 = 1,938 × 10⁷ nm = 19,38 mm ≈ 19,4 mm.
4. Une molécule d’ADN mesure 1,02 cm. Elle compte × 10⁷ paires.
   1,02 cm = 10,2 mm = 1,02 × 10⁷ nm ; 1,02 × 10⁷ ÷ 0,34 = 3 × 10⁷ paires.
5. Une molécule d’ADN mesure 6,8 mm. Elle compte × 10⁷ paires.
   6,8 mm = 6,8 × 10⁶ nm ; 6,8 × 10⁶ ÷ 0,34 = 2 × 10⁷ paires.
6. Chromosome 18 (8,04 × 10⁷ paires) à deux chromatides : longueur totale d’ADN, en mm, au dixième :
   Une molécule : 8,04 × 10⁷ × 0,34 = 2,733 6 × 10⁷ nm = 27,336 mm. Deux chromatides, deux molécules : 54,672 ≈ 54,7 mm.

Cellule humaine diploïde : environ 6,4 × 10⁹ paires de nucléotides en phase G1 ; 0,34 nm entre deux paires voisines.

1. Longueur totale d’ADN de cette cellule en phase G2, en m, au centième :
   En G1 : 6,4 × 10⁹ × 0,34 = 2,176 × 10⁹ nm = 2,176 m. En G2, tout l’ADN a été copié : 2 × 2,176 = 4,352 ≈ 4,35 m.
2. Longueur moyenne d’une molécule d’ADN en G1 (46 molécules), en cm, au dixième :
   2,176 m = 217,6 cm ; 217,6 ÷ 46 ≈ 4,73 ≈ 4,7 cm.
3. L’ADN d’une cellule en G1 est fois plus long qu’un noyau de 8 µm de diamètre (valeur choisie).
   2,176 m = 2,176 × 10⁶ µm ; 2,176 × 10⁶ ÷ 8 = 272 000.
4. Le chromosome 4 en métaphase mesure environ 8 µm (valeur choisie). Longueur d’ADN qu’il contient, rapportée à sa longueur, au millier près : fois
   Deux chromatides, deux molécules de 64,6 mm : 129,2 mm = 129 200 µm ; 129 200 ÷ 8 = 16 150, soit environ 16 000 fois. Oublier la seconde chromatide donnerait la moitié.
5. Une molécule de 3,5 × 10⁶ paires : un élève multiplie ses 7 × 10⁶ nucléotides par 0,34 nm et trouve 2,38 mm. Longueur juste, en mm, au centième :
   0,34 nm sépare deux paires : 3,5 × 10⁶ × 0,34 = 1,19 × 10⁶ nm = 1,19 mm. Compter les nucléotides des deux brins double le résultat.

Écris le brin néosynthétisé sur chaque brin matrice, de son extrémité 5’ vers son extrémité 3’ (lettres seules).

1. Matrice 3’-TACGGATC-5’ → brin neuf 5’--3’
   Base par base : T→A, A→T, C→G, G→C… : 5’-ATGCCTAG-3’, face à la matrice lue de 3’ vers 5’.
2. Matrice 3’-GACTTAC-5’ → brin neuf 5’--3’
   5’-CTGAATG-3’.
3. Matrice 5’-ATTGCA-3’ → brin neuf 5’--3’
   Complémentaire, base par base : 3’-TAACGT-5’ ; écrit de 5’ vers 3’ : 5’-TGCAAT-3’.
4. Matrice 3’-AAGTCTG-5’ → brin neuf 5’--3’
   5’-TTCAGAC-3’.
5. Matrice 5’-CTTGAC-3’ → brin neuf 5’--3’
   Complémentaire : 3’-GAACTG-5’ ; écrit de 5’ vers 3’ : 5’-GTCAAG-3’.
6. Matrice 5’-CCTAGG-3’ → brin neuf 5’--3’
   Complémentaire : 3’-GGATCC-5’, soit 5’-CCTAGG-3’ : ici, le brin neuf a la même séquence que la matrice lue de 5’ vers 3’ (séquence « palindromique »). Il fallait bien inverser l’orientation pour le voir.

Une molécule d’ADN de 2 000 paires compte 28 % de paires A–T ; les autres sont des paires G–C. Elle est répliquée.

1. Nombre de nucléotides assemblés lors d’une réplication :
   Deux brins neufs de 2 000 nucléotides : 4 000.
2. Nombre de nucléotides à thymine incorporés :
   28 % de 2 000 = 560 paires A–T ; chaque paire A–T donne un T neuf face à son A : 560 (et 560 A face aux T).
3. Nombre de nucléotides à guanine incorporés :
   2 000 − 560 = 1 440 paires G–C ; chacune donne un G neuf face à son C : 1 440.
4. La molécule est répliquée 5 fois de suite. Nombre de molécules obtenues :
   2⁵ = 32 molécules.
5. Parmi ces 32 molécules, nombre de molécules qui contiennent un brin de la molécule d’origine :
   2 : les deux brins anciens ne sont jamais détruits ; chacun sert de matrice et reste dans une molécule. Les 30 autres sont formées de deux brins neufs.
6. Nombre total de nucléotides assemblés au cours de ces 5 réplications :
   32 molécules = 64 brins, dont les 2 brins d’origine : 62 brins neufs × 2 000 = 124 000. (32 × 4 000 = 128 000 compterait les deux brins d’origine comme neufs.)

Un brin matrice contient 22 % de A, 30 % de G, 28 % de C et 20 % de T.

1. Pourcentage de T dans le brin neuf assemblé sur cette matrice : %
   Un T neuf face à chaque A de la matrice : 22 %.
2. Pourcentage de C dans le brin neuf : %
   Un C face à chaque G : 30 %.
3. Pourcentage de A dans le brin neuf : %
   Un A face à chaque T de la matrice : 20 % (et non 22 % : les brins ne sont pas identiques, ils sont complémentaires).
4. Pourcentage de paires G–C dans la molécule formée de cette matrice et de son brin neuf : %
   Chaque G et chaque C de la matrice forme une paire G–C : 30 + 28 = 58 % des paires (le brin neuf, à 30 % de C et 28 % de G, donne le même total).
5. La matrice compte 1 500 nucléotides. La molécule (matrice et brin neuf) est répliquée deux fois de suite : nombre total de nucléotides à adénine incorporés :
   Paires A–T : 22 + 20 = 42 % de 1 500 = 630 ; chaque réplication d’une molécule place un A face à chacun de ses 630 T. La 1re réplication porte sur 1 molécule, la 2e sur 2 : 3 × 630 = 1 890. (2 × 630 = 1 260 oublie que la 2e réplication copie deux molécules.)

Des bactéries à ADN ¹⁵N/¹⁵N sont transférées sur ¹⁴N. Indique le nombre de bandes attendues après centrifugation.

1. Modèle conservatif, génération 1 : bande(s)
   La molécule mère reste lourde, la fille est légère : 2 bandes (lourde et légère).
2. Modèle semi-conservatif, génération 1 : bande(s)
   Toutes les molécules sont hybrides : 1 bande intermédiaire.
3. Modèle dispersif, génération 1 : bande(s)
   Chaque molécule contient moitié ¹⁵N, moitié ¹⁴N, en fragments : 1 bande intermédiaire, comme le semi-conservatif.
4. Modèle semi-conservatif, génération 2 : bande(s)
   2 hybrides et 2 légères : 2 bandes, intermédiaire et légère.
5. Modèle conservatif, génération 2 : bande(s)
   La molécule d’origine reste lourde, les 3 autres sont légères : 2 bandes (lourde et légère), toujours sans bande intermédiaire.
6. Modèle semi-conservatif, génération 4 : bande(s)
   16 molécules, dont 2 hybrides et 14 légères : toujours 2 bandes, intermédiaire et légère ; seule la part de la bande légère augmente.

On part de 50 molécules ¹⁵N/¹⁵N répliquées 4 fois en ¹⁴N. Densités : ¹⁵N/¹⁵N = 1,724 g/mL ; ¹⁴N/¹⁴N = 1,710 g/mL.

1. Nombre de molécules obtenues :
   50 × 2⁴ = 50 × 16 = 800.
2. Modèle semi-conservatif : nombre de molécules hybrides :
   Chaque molécule de départ laisse 2 hybrides : 50 × 2 = 100.
3. Modèle semi-conservatif : nombre de molécules légères :
   800 − 100 = 700.
4. Modèle semi-conservatif : pourcentage de molécules hybrides : %
   100 ÷ 800 = 0,125 = 12,5 %.
5. Modèle conservatif : part de l’ADN dans la bande lourde : %
   Les 50 molécules d’origine restent lourdes : 50 ÷ 800 = 6,25 % ; 93,75 % dans la bande légère.
6. Modèle dispersif : densité de la bande unique, au dix-millième : g/mL
   Chaque molécule contient 1/16 de ¹⁵N : 1,710 + 0,014 ÷ 16 = 1,710875 ≈ 1,7109 g/mL.

Raisonner à rebours (modèle semi-conservatif, une molécule ¹⁵N/¹⁵N au départ, sauf mention contraire).

1. Les molécules légères représentent 96,875 % du total après réplications.
   Hybrides : 100 − 96,875 = 3,125 % = 1/32. Or 2 ÷ 2ⁿ = 1/32 donne 2ⁿ = 64 : 6 réplications.
2. On observe deux bandes : 1,717 g/mL (25 % de l’ADN) et 1,710 g/mL (75 %). Génération :
   Hybrides : 2 ÷ 2ⁿ = 1/4, donc 2ⁿ = 8 : génération 3.
3. L’ADN de la génération 2 est chauffé : les brins se séparent. Part des brins entièrement ¹⁵N : %
   4 molécules, 8 brins, dont les 2 brins lourds d’origine : 2 ÷ 8 = 25 % ; les 75 % restants sont entièrement ¹⁴N.
4. Si le modèle conservatif était juste, première génération où la bande lourde contiendrait moins de 4 % de l’ADN : génération
   Bande lourde : 1 molécule sur 2ⁿ. Génération 4 : 1/16 = 6,25 %, plus de 4 % ; génération 5 : 1/32 ≈ 3,1 %, moins de 4 % : génération 5.
5. Si le modèle dispersif était juste, l’ADN chauffé de la génération 1 donnerait bande(s) de brins.
   Chaque brin mêlerait fragments ¹⁵N et ¹⁴N : 1 bande de brins de densité intermédiaire. On observe deux bandes (¹⁵N et ¹⁴N) : le dispersif est rejeté.

Complète avec le mot ou le nombre exact.

1. Point précis de la molécule où la réplication démarre : de réplication
   L’origine de réplication.
2. Zone ouverte de la molécule, limitée par deux fourches : de réplication
   L’œil de réplication, ou bulle.
3. Une molécule porte 22 fourches au travail, aucun œil n’ayant encore rejoint son voisin : nombre d’yeux :
   Deux fourches par œil : 22 ÷ 2 = 11 yeux, donc 11 origines déjà ouvertes.
4. À chaque fourche, l’ADN polymérase ajoute les nucléotides à l’extrémité (5’ ou 3’) du brin neuf
   À l’extrémité 3’ : le brin neuf s’allonge toujours dans le sens 5’ → 3’.
5. Forme du chromosome d’E. coli en cours de copie photographié par Cairns (lettre grecque) :
   La lettre thêta (θ) : un cercle traversé par la boucle déjà copiée.
6. Au cours d’une phase S, chaque portion de la molécule est copiée fois
   Une fois, et une seule : quand les yeux voisins se rejoignent, toute la molécule est copiée.

Images d’ADN d’eucaryote en cours de réplication (valeurs choisies) ; 0,34 nm entre deux paires ; origine au milieu de chaque œil.

1. Un œil mesure 2,72 µm. Paires déjà copiées dans cet œil :
   2,72 µm = 2 720 nm ; 2 720 ÷ 0,34 = 8 000 paires.
2. Dans ce même œil, nucléotides copiés par chaque fourche depuis l’origine :
   Les deux fourches se partagent l’œil : 8 000 ÷ 2 = 4 000 chacune.
3. Un autre œil mesure 4,76 µm. Paires copiées :
   4 760 ÷ 0,34 = 14 000 paires.
4. Les fourches avancent à 2 000 nucléotides par minute. Âge de l’œil de 4,76 µm, en min :
   Chaque fourche a copié 7 000 nucléotides : 7 000 ÷ 2 000 = 3,5 min.
5. Âge de l’œil de 2,72 µm, en min :
   4 000 ÷ 2 000 = 2 min : il s’est ouvert plus tard que l’autre.
6. Une molécule montre 12 yeux séparés. Nombre de molécules filles en cours de formation dans chaque œil :
   Dans un œil, chaque brin parental est associé à un brin neuf : 2 molécules filles, encore reliées aux deux bouts.

Sur une fibre d’ADN humain, deux origines voisines sont distantes de 17 µm (valeurs choisies) ; les fourches avancent à 2 000 nucléotides par minute.

1. Paires de nucléotides entre ces deux origines :
   17 µm = 17 000 nm ; 17 000 ÷ 0,34 = 50 000 paires.
2. Nucléotides copiés par chacune des deux fourches qui vont l’une vers l’autre :
   Elles se rejoignent au milieu : 50 000 ÷ 2 = 25 000 chacune.
3. Durée pour copier cet intervalle, en min :
   25 000 ÷ 2 000 = 12,5 min.
4. Si la seconde origine ne s’ouvre pas, durée pour copier l’intervalle, en min :
   Une seule fourche copie les 50 000 paires : 50 000 ÷ 2 000 = 25 min, le double.
5. Origines régulièrement espacées de 17 µm sur une molécule de 1,7 cm : nombre d’intervalles entre origines :
   1,7 cm = 17 000 µm ; 17 000 ÷ 17 = 1 000 intervalles, donc environ 1 000 origines.

Calcule (1 kb = 1 000 nucléotides).

1. Une fourche à 1 000 nucléotides par seconde copie 60 000 nucléotides en s
   60 000 ÷ 1 000 = 60 s.
2. Une fourche copie 96 000 nucléotides en 2 min. Vitesse : nucléotides par seconde
   2 min = 120 s ; 96 000 ÷ 120 = 800.
3. 2 kb par minute = nucléotides par seconde (au dixième)
   2 000 ÷ 60 ≈ 33,3.
4. 30 nucléotides par seconde = kb par minute
   30 × 60 = 1 800 nucléotides par minute = 1,8 kb par minute.
5. Bactérie à chromosome de 5,2 × 10⁶ paires (valeur choisie), une origine, fourches à 1 000 nucléotides par seconde : durée en s :
   Chaque fourche copie 2,6 × 10⁶ nucléotides : 2,6 × 10⁶ ÷ 1 000 = 2 600 s.
6. La même durée en min, au dixième :
   2 600 ÷ 60 ≈ 43,3 min.
7. Une fourche à 25 nucléotides par seconde travaille 6 h. Nucléotides copiés :
   6 h = 21 600 s ; 25 × 21 600 = 540 000.
8. Une origine (deux fourches à 25 nucléotides par seconde) en 1 h : paires copiées :
   1 h = 3 600 s ; 2 × 25 × 3 600 = 180 000.

Le chromosome 7 humain compte environ 1,59 × 10⁸ paires ; chaque fourche y progresse à environ 50 nucléotides par seconde ; la phase S dure environ 8 h.

1. Avec une seule origine, nucléotides copiés par chaque fourche : × 10⁷
   1,59 × 10⁸ ÷ 2 = 7,95 × 10⁷.
2. Durée de réplication avec une seule origine, en jours, au dixième (1 jour = 86 400 s) :
   7,95 × 10⁷ ÷ 50 = 1 590 000 s ; 1 590 000 ÷ 86 400 ≈ 18,4 jours : impossible pendant une phase S de 8 h.
3. Avec une seule origine mais des fourches aussi rapides que celles d’E. coli (1 000 nucléotides par seconde), durée en heures, au dixième :
   7,95 × 10⁷ ÷ 1 000 = 79 500 s ; 79 500 ÷ 3 600 ≈ 22,1 h : encore bien plus que les 8 h de la phase S. Même avec des fourches rapides, la longueur de la molécule impose de nombreuses origines.
4. Paires copiées par une origine en 8 h : × 10⁶
   8 h = 28 800 s ; 2 × 50 × 28 800 = 2 880 000 = 2,88 × 10⁶.
5. Nombre minimal d’origines pour copier le chromosome 7 en 8 h :
   1,59 × 10⁸ ÷ (2,88 × 10⁶) ≈ 55,2 : un nombre d’origines est entier, il en faut au moins 56 (55 ne suffiraient pas).

Un chromosome de levure compte 1,2 × 10⁶ paires (valeurs choisies) ; ses fourches avancent à 30 nucléotides par seconde.

1. Avec 40 origines régulièrement espacées, nucléotides copiés par chaque fourche :
   1,2 × 10⁶ ÷ (2 × 40) = 1,2 × 10⁶ ÷ 80 = 15 000.
2. Durée de la réplication, en s :
   15 000 ÷ 30 = 500 s, soit environ 8 min.
3. Si seules 25 de ces origines s’ouvrent, durée en s :
   1,2 × 10⁶ ÷ 50 = 24 000 nucléotides par fourche ; 24 000 ÷ 30 = 800 s.
4. Nombre minimal d’origines pour tout copier en 5 min :
   5 min = 300 s ; une origine copie 2 × 30 × 300 = 18 000 paires ; 1,2 × 10⁶ ÷ 18 000 ≈ 66,7 : 67 origines au moins.
5. Avec une seule origine, durée en heures, au dixième :
   6 × 10⁵ ÷ 30 = 20 000 s ; 20 000 ÷ 3 600 ≈ 5,6 h.

Complète.

1. Étape d’un cycle de PCR réalisée vers 95 °C : la
   La dénaturation : les deux brins se séparent.
2. Étape réalisée vers 72 °C : l’
   L’élongation : la Taq polymérase assemble les brins neufs.
3. Étape réalisée vers 55 °C, où les amorces s’associent aux brins : l’
   L’hybridation, par complémentarité des bases.
4. Courts fragments d’ADN d’où part la polymérase, aux deux extrémités du segment copié : les
   Les amorces, complémentaires des extrémités du segment.
5. Bactérie des sources chaudes qui fournit la Taq polymérase : Thermus
   Thermus aquaticus, isolée dans une source chaude du parc de Yellowstone.
6. À chaque cycle, en théorie, le nombre de copies est multiplié par
   Par 2 : chaque molécule est répliquée une fois.

Calcule le nombre de copies (doublement à chaque cycle), ou le nombre de cycles.

1. 3 copies, 9 cycles : copies
   3 × 2⁹ = 3 × 512 = 1 536.
2. 5 copies, 11 cycles : copies
   5 × 2¹¹ = 5 × 2 048 = 10 240.
3. 12 copies, 6 cycles : copies
   12 × 2⁶ = 12 × 64 = 768.
4. 100 copies, 15 cycles : copies
   100 × 2¹⁵ = 100 × 32 768 = 3 276 800.
5. De 4 copies à 4 096 copies : cycles
   4 096 ÷ 4 = 1 024 = 2¹⁰ : 10 cycles.
6. De 25 copies à au moins 100 000 copies : cycles au minimum
   Il faut 2ⁿ ≥ 100 000 ÷ 25 = 4 000. 2¹¹ = 2 048 ne suffit pas, 2¹² = 4 096 suffit : 12 cycles.
7. 30 copies, 20 cycles, avec 2¹⁰ ≈ 10³ : environ × 10⁷ copies
   2²⁰ = 2¹⁰ × 2¹⁰ ≈ 10⁶ ; 30 × 10⁶ = 3 × 10⁷ (valeur exacte : 31 457 280).
8. Un cycle de 15 s à 95 °C, 15 s à 60 °C et 30 s à 72 °C ; durée de 40 cycles, en min :
   Un cycle : 15 + 15 + 30 = 60 s = 1 min ; 40 × 1 = 40 min.

Programme : dénaturation initiale de 2 min ; 35 cycles de 20 s à 95 °C, 30 s à 57 °C et 45 s à 72 °C ; élongation finale de 5 min.

1. Durée totale du programme, en s :
   Un cycle : 20 + 30 + 45 = 95 s ; 35 × 95 = 3 325 s ; 120 + 3 325 + 300 = 3 745 s, soit 62 min 25 s.
2. On part d’une seule molécule. Temps écoulé depuis le début du programme quand le tube contient pour la première fois au moins 5 000 copies (à la fin d’un cycle), en s :
   2¹² = 4 096 ne suffit pas, 2¹³ = 8 192 suffit : il faut 13 cycles. 120 + 13 × 95 = 120 + 1 235 = 1 355 s.
3. Un élève calcule 2 × 20 = 40 copies après 20 cycles à partir d’une copie. Nombre exact de copies :
   Le nombre est multiplié par 2 à chaque cycle : 2²⁰ = 1 048 576, pas 2 × 20.
4. Le même programme avec 33 cycles au lieu de 35 : nombre de copies divisé par
   Deux cycles de moins : 2² = 4 fois moins de copies.
5. Durée totale passée à 72 °C pendant ce programme, élongation finale comprise, en s :
   35 × 45 = 1 575 s pendant les cycles, plus 300 s d’élongation finale : 1 575 + 300 = 1 875 s.